Ultrazvučne emulzije za izgaranje vode u dizelskom gorivu

Generatori električne energije, brodski i željeznički motori, koji se pokreću dizelom, mogu raditi učinkovitije kada se koriste emulzije vode u dizelu. Vodeno-dizelska emulzijska goriva smanjuju potrošnju goriva, snižavaju temperaturu izgaranja, čišće izgaraju i smanjuju emisije, poput NOx i čađe. Ultrazvučna emulgacija je pouzdana, jednostavna i učinkovita metoda za proizvodnju visokokvalitetnih voda u dizelskim gorivima.

Ultrazvučna emulgacija vode u dizelu

Water-in-Diesel emulzije (WiDE; W/D emulsion fuel) su modificirana alternativa dizelskom gorivu koja sadrži do 15% vode. Također poznato kao aqua-gorivo, u emulzijama voda-dizel, kapljice vode se ultrazvučno emulgiraju u kontinuiranu dizel fazu. Intenzivna sonikacija tekućina stvara akustičnu kavitaciju. Kavitacijske sile smicanja ometaju kapljice i proizvode homogenu emulziju vodene i dizelske faze koja se inače ne miješa.

Emulzija vode u dizelu

WiDE (W/D emulzija) definira se kao mješavina prirodno nemiješljivih tekućina kapljica vode (raspršena/unutarnja faza) u dizelu (kontinuirana/vanjska faza). Emulgator se dodaje u niskim koncentracijama kako bi se poboljšala stabilnost emulzije i smanjila potrebna energija za miješanje.

Dvofazna emulzija

Dvofazna emulzija opisuje mješavinu vode u dizelu bez upotrebe bilo kakvog površinski aktivnog sredstva. Za dvofazni WiDE, struja vode i dizela ultrazvučno se emulgira neposredno ispred motora. Ultrazvučna dvofazna emulzija vode u dizelu ide izravno iz ultrazvučnog reaktora s protočnim ćelijama u motor s unutarnjim izgaranjem. Bez površinski aktivne tvari, emulzija nije napravljena za skladištenje, već za izravno izgaranje.

Studija slučaja vodeno-dizelskog emulzijskog goriva

Postava

Ithnin i sur. (2018) proučavali su učinak emulzije vode u dizelskom gorivu (WiDE) na jednocilindrični dizelski motor s izravnim ubrizgavanjem. Voda i dizel su pohranjeni u različitim jedinicama iz kojih su kvantitativno pretočeni u sustav miješanja. Sustav miješanja sastojao se od kombinacije miješalice s visokim smicanjem i ultrazvučnog homogenizatora. Smična mješalica dala je sirovu predsmjesu vode i dizela, dok je sonikacija korištena za finu jednoličnu emulziju. Emulzija voda-dizel pripremljena je s 5% vode. Homogeno WiDE gorivo izravno je prebačeno iz sustava miješanja u motor. Pripremljeno WiDE gorivo nije sadržavalo površinski aktivne tvari, stoga se naziva dugoročno nestabilno emulzijsko gorivo (UW/D). Dizel motor je testiran pod četiri različita stanja opterećenja (1 kW (25%), 2 kW (50%), 3 kW (74%), 4 kW (100%) i konstantnom brzinom od 3000 o/min. Kako bi se usporedili učinci kao što su performanse goriva i emisije, emulzijsko gorivo stabilizirano surfaktantom (stabilna emulzija (SW/D)) i čisto dizelsko gorivo (D2) također su testirani na istom motoru. 5% vode koristi se i za nestabilnu i za stabilnu emulziju.

Rezultati

Ispitivanje motora pokazuje da vodeno-dizelsko emulzijsko gorivo bez tenzida (UW/D) rezultira značajnim poboljšanjem motora s povećanjem toplinske učinkovitosti kočnica (BTE) od 3,59 % i smanjenjem specifične potrošnje goriva pri kočnicama (BSFC) od 3,89 % u usporedbi na čisto dizelsko gorivo. Emulzijska goriva, i stabilizirana (SW/D) i nestabilizirana (UW/D), povećala su toplinsku učinkovitost motora zbog fenomena mikroeksplozije. Fenomen mikroeksplozije uzrokuje brzo isparavanje emulgiranih kapljica vode. Budući da su sitne kapljice vode okružene uljem, intenzivan proces isparavanja nasilno razbija kapljice u vrlo fine čestice, što potiče miješanje zraka i goriva. Razbijanje kapljica i miješanje sa zrakom značajno povećava učinkovitost izgaranja.
Rezultati pokazuju da koncept proizvodnje i prijenosa vodeno-dizelskog emulzijskog goriva u motor u stvarnom vremenu bez korištenja surfaktanta vrlo dobro funkcionira. Trenutačni prijenos ultrazvučno pripremljene mješavine vode i dizela uklanja problem stabilizacije za pohranjeno emulzijsko gorivo, kao i ovisnost o surfaktantu. Nestabilno vodeno-dizelsko emulzijsko gorivo (UW/D) pouzdano je zadržalo svoj oblik emulzije bez dosezanja do stupnja sedimentacije unutar 25 sekundi (vidi sliku u nastavku).

Ponašanje kapljica ultrazvučno emulgiranog ater-in-diesel emulzijskog goriva tijekom vremena a) 10 s, b) 25 s, c) 50 s i d) 132 s. (povećanje 1000×) – Ithnin i sur. 2018

U usporedbi s čistim dizelskim gorivom, emulzija vode u dizelskom gorivu ima značajno smanjenu ispušnu emisiju dušikovih oksida (NOx) i čestica (PM) uz prosječno smanjenje od 31,66% odnosno 16,33%.

Sveukupno, ultrazvučno pripremljene emulzije – vremenski nestabilni ili stabilizirani surfaktantom – pomoći u uštedi dizelskog goriva i smanjiti emisije ispušnih plinova.
Zelenija emisija ispušnih plinova i ušteda goriva uz ultrazvuk!

Primarna i sekundarna atomizacija u raspršenom plamenu emulgiranog goriva.

Emulzija trofazne faze

Trofazna emulzija, poznata i kao trofazna emulzija, sastoji se od vode, ulja i površinski aktivne tvari. Tijekom ultrazvučne emulgacije vode u dizelsku fazu dodaje se surfaktant. Emulgator produljuje stabilnost emulzije i omogućuje skladištenje vode u dizelskom gorivu. Stabilnost W/D emulzije ovisi o emulgatoru, parametrima ultrazvučnog procesa i temperaturi. Uz pravu kombinaciju površinski aktivnih tvari i parametara ultrazvuka, može se postići značajna dugoročna stabilnost WiDE-a.

Instalacija i naknadna montaža ultrazvučnog sustava emulgiranja jednostavna je, sigurna i jeftina. W/D emulzijska goriva mogu se koristiti u kombinaciji s bilo kojim konvencionalnim dizelskim motorima (npr. generatori električne energije, željeznički motori, brodski motori) bez modifikacija.

Što WiDE goriva čini učinkovitijima? – Fenomen mikroeksplozije

Emulzijska goriva vode u dizelu sastoje se od suspendiranih čestica vode u kontinuiranoj dizelskoj fazi. Prilikom izgaranja, sitne kapljice vode u emulzijskom gorivu dosežu svoju pregrijanu fazu brže od dizela i stvaraju raspad pare (spontanu eksploziju) tijekom izgaranja, stvarajući vrlo fine čestice. Zbog povećane površine sitnih čestica u kombinaciji s usisnim zrakom, miješanje zraka i goriva je značajno poboljšano i time povećava učinkovitost izgaranja. (Ivanov, Nevedov 1965.)

Ultrazvučni sustavi za emulzifikaciju visokih performansi

Hielscher Ultrasonics isporučuje ultrazvučne procesore visokih performansi za kontinuiranu proizvodnju visokokvalitetnih (nano-)emulzija. Superiorna ultrazvučna izvedba, robusnost i mali otisak čine Hielscher Ultrasonicators idealnim sustavom miješanja za emulzijska goriva vode u dizelskom gorivu. Bilo da želite proizvoditi emulzijska goriva za izravno ubrizgavanje u motor s unutarnjim izgaranjem ili stabilna emulzijska goriva za skladištenje i kasnije izgaranje, Hielscher Ultrasonics ima najprikladniju postavku za vašu primjenu. Od manjih ultrazvučnih emulzijskih sustava za integraciju u željezničke lokomotive i plovila unutarnje plovidbe do stvaranja velikih količina vodenog goriva za elektrane i velika pomorska plovila – naši skupovi ultrazvučnih procesora omogućuju obradu emulzijskog goriva bilo kojeg volumena.
Osim visokog ultrazvučnog izlaza, pouzdanosti i robusnosti, Hielscher Ultrasonics’ industrijski ultrazvučni procesori mogu se precizno kontrolirati i nadzirati. Senzori temperature i tlaka prenose podatke generatoru, gdje se svi važni procesni parametri poput amplitude, neto i ukupne energije, temperature i tlaka bilježe na ugrađenu SD-karticu. Inteligentna softverska kontrola omogućuje uspostavljanje i postavljanje točnih procesnih parametara za standardizirano emulzijsko gorivo kontinuirano visoke kvalitete. Ultrazvučni protočni reaktor s plaštom može se učinkovito hladiti i omogućiti obradu emulzije na određenim temperaturama. Robusnost naše ultrazvučne opreme omogućuje rad 24/7 u teškim uvjetima rada iu zahtjevnim okruženjima.
Donja tablica daje vam naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja: