Ultrazvučne emulzije vode u dizelskom gorivu za izgaranje

Električni generatori, brodski motori i motori željezničkih vozila koji kao gorivo upotrebljavaju dizelsko gorivo mogu raditi učinkovitije uz primjenu emulzija vode u dizelskom gorivu. Emulzijska goriva na bazi vode i dizelskog goriva smanjuju potrošnju goriva, snižavaju temperaturu izgaranja, izgaraju čišće i smanjuju emisije, primjerice NOx i čađe. Ultrazvučno emulgiranje pouzdana je, jednostavna i djelotvorna metoda proizvodnje visokokvalitetnih goriva na bazi vode u dizelskom gorivu.

Ultrazvučno emulgiranje vode u dizelskom gorivu

Emulzije vode u dizelskom gorivu (WiDE; emulzijsko gorivo W/D) modificirana su alternativa dizelskom gorivu koja sadržava do 15% vode. U emulzijama vode i dizelskog goriva, poznatima i kao akvagorivo, kapljice vode ultrazvučno se emulgiraju u kontinuiranu fazu dizelskog goriva. Intenzivna sonikacija tekućina stvara akustičnu kavitaciju. Smične sile nastale kavitacijom razbijaju kapljice i stvaraju homogenu emulziju inače nemješljivih faza vode i dizelskog goriva.

Emulzija vode u dizelskom gorivu

WiDE (emulzija W/D) definira se kao smjesa prirodno nemješljivih tekućina, u kojoj su kapljice vode (dispergirana/unutarnja faza) raspoređene u dizelskom gorivu (kontinuirana/vanjska faza). Emulgator se dodaje u niskim koncentracijama kako bi se poboljšala stabilnost emulzije i smanjila potrebna energija miješanja.

Dvofazna emulzija

Dvofazna emulzija označava smjesu vode u dizelskom gorivu bez upotrebe ikakvih površinski aktivnih tvari. Za dvofaznu emulziju WiDE dovodni tokovi vode i dizelskog goriva ultrazvučno se emulgiraju neposredno ispred motora. Ultrazvučno dobivena dvofazna emulzija vode u dizelskom gorivu prolazi izravno iz ultrazvučnog reaktora s protočnom ćelijom u motor s unutarnjim izgaranjem. Bez površinski aktivne tvari emulzija nije namijenjena skladištenju, nego izravnom izgaranju.

Studija slučaja emulzijskog goriva na bazi vode i dizelskog goriva

Eksperimentalni postav

Ithnin i sur. (2018) proučavali su učinak emulzijskog goriva na bazi vode u dizelskom gorivu (WiDE) na jednocilindrični dizelski motor s izravnim ubrizgavanjem. Voda i dizelsko gorivo pohranjeni su u zasebnim jedinicama, iz kojih su kvantitativno preneseni u sustav za miješanje. Sustav za miješanje sastojao se od kombinacije miješalice s visokim smičnim silama i ultrazvučnog homogenizatora. Miješalica sa smičnim djelovanjem osigurala je grubu predsmjesu vode i dizelskog goriva, dok se sonikacija primjenjivala za dobivanje jednolike emulzije sitnih kapljica. Emulzija vode i dizelskog goriva pripremljena je s 5% vode. Homogeno gorivo WiDE preneseno je izravno iz sustava za miješanje u motor. Pripremljeno gorivo WiDE nije sadržavalo površinski aktivne tvari, pa je stoga nazvano dugoročno nestabilnim emulzijskim gorivom (UW/D). Dizelski motor ispitan je pri četiri različita opterećenja (1 kW (25%), 2 kW (50%), 3 kW (74%), 4 kW (100%)) i pri stalnoj brzini vrtnje od 3000 rpm. Kako bi se usporedili učinci poput radnih značajki goriva i emisija, na istom su motoru ispitani i emulzijsko gorivo stabilizirano površinski aktivnom tvari (stabilna emulzija (SW/D)) te čisto dizelsko gorivo (D2). I za nestabilnu i za stabilnu emulziju upotrebljava se 5% vode.

Rezultati

Ispitivanje motora pokazuje da emulzijsko gorivo voda–dizelsko gorivo bez površinski aktivne tvari (UW/D) znatno poboljšava rad motora, uz povećanje efektivne toplinske učinkovitosti (BTE) za 3,59% i smanjenje efektivne specifične potrošnje goriva (BSFC) za 3,89% u usporedbi s čistim dizelskim gorivom. I stabilizirana (SW/D) i nestabilizirana (UW/D) emulzijska goriva povećala su toplinsku učinkovitost motora zbog pojave mikroeksplozije. Pojava mikroeksplozije uzrokuje brzo isparavanje emulgiranih kapljica vode. Budući da su sićušne kapljice vode okružene uljem, intenzivan proces isparavanja silovito razbija kapljice u vrlo sitne čestice, što pospješuje miješanje zraka i goriva. Razbijanje kapljica i miješanje sa zrakom znatno povećavaju učinkovitost izgaranja.
Rezultati pokazuju da koncept proizvodnje i prijenosa emulzijskog goriva voda–dizelsko gorivo u motor u stvarnom vremenu, bez uporabe površinski aktivne tvari, vrlo dobro funkcionira. Neposredan prijenos ultrazvučno pripremljene smjese vode i dizelskog goriva uklanja problem stabilizacije uskladištenog emulzijskog goriva, kao i ovisnost o površinski aktivnoj tvari. Nestabilno emulzijsko gorivo voda–dizelsko gorivo (UW/D) pouzdano je zadržalo svoj emulzijski oblik bez dosezanja faze sedimentacije unutar 25sec (vidjeti sliku u nastavku).

Ponašanje kapljica ultrazvučno emulgiranog goriva tipa voda u dizelskom gorivu tijekom vremena a) 10 s, b) 25 s, c) 50 s i d) 132 s. (povećanje 1000×) – Ithnin et al. 2018

U usporedbi s čistim dizelskim gorivom, emulzijsko gorivo tipa voda u dizelskom gorivu ima znatno smanjene emisije dušikovih oksida (NOx) i lebdećih čestica (PM) u ispušnim plinovima, uz prosječno smanjenje od 31,66% odnosno 16,33%.

Općenito, ultrazvučno pripremljene emulzije – bilo nestabilne ili stabilizirane površinski aktivnom tvari – pomažu uštedjeti dizelsko gorivo i smanjiti emisije ispušnih plinova.
Ekološki prihvatljivije emisije ispušnih plinova i ušteda goriva uz ultrazvuk!

Primarna i sekundarna atomizacija u plamenu raspršenog emulgiranog goriva.

Trofazna emulzija

Trofazna emulzija sastoji se od vode, ulja i površinski aktivne tvari. Tijekom ultrazvučnog emulgiranja vode u dizelsku fazu dodaje se površinski aktivna tvar. Emulgator produljuje stabilnost emulzije i omogućuje skladištenje goriva tipa voda u dizelskom gorivu. Stabilnost emulzije W/D ovisi o emulgatoru, parametrima ultrazvučnog procesa i temperaturi. Odgovarajućom kombinacijom površinski aktivne tvari i parametara sonikacije može se postići znatna dugoročna stabilnost emulzije WiDE.

Ugradnja i naknadna ugradnja ultrazvučnog sustava za emulgiranje jednostavne su, sigurne i jeftine. Emulzijska goriva W/D mogu se upotrebljavati u svim konvencionalnim dizelskim motorima (npr. u električnim generatorima, željezničkim i brodskim motorima) bez preinaka.

Što goriva WiDE čini učinkovitijima? – Pojava mikroeksplozije

Emulzijska goriva tipa voda u dizelskom gorivu sastoje se od čestica vode suspendiranih u kontinuiranoj dizelskoj fazi. Pri izgaranju sitne kapljice vode u emulzijskom gorivu dosežu pregrijano stanje brže od dizelskog goriva te tijekom izgaranja uzrokuju raspad uslijed širenja pare (spontanu eksploziju), pri čemu nastaju vrlo sitne čestice. Zbog povećane površine sićušnih čestica u kombinaciji s usisnim zrakom znatno se poboljšava miješanje zraka i goriva, čime se povećava učinkovitost izgaranja. (Ivanov, Nevedov 1965)

Ultrazvučni sustavi visokih performansi za emulgiranje

Hielscher Ultrasonics isporučuje ultrazvučne procesore visokih performansi za kontinuiranu proizvodnju visokokvalitetnih (nano)emulzija. Vrhunske ultrazvučne performanse, robusnost i mala prostorna zahtjevnost čine Hielscher ultrazvučne uređaje idealnim sustavom za miješanje pri proizvodnji emulzijskih goriva tipa voda u dizelu. Bez obzira na to želite li proizvoditi emulzijska goriva za izravno ubrizgavanje u motor s unutarnjim izgaranjem ili stabilna emulzijska goriva za skladištenje i kasnije izgaranje, Hielscher Ultrasonics ima najprikladniju konfiguraciju za vašu primjenu. Od manjih ultrazvučnih sustava za emulgiranje namijenjenih ugradnji u željezničke lokomotive i plovila unutarnje plovidbe do proizvodnje velikih volumena akvagoriva za elektrane i golema morska plovila – naši skupovi ultrazvučnih procesora omogućuju obradu emulzijskog goriva bilo kojeg volumena.
Uz veliku ultrazvučnu izlaznu snagu, pouzdanost i robusnost, industrijskim ultrazvučnim procesorima tvrtke Hielscher Ultrasonics može se precizno upravljati i nadzirati njihov rad. 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. Inteligentno softversko upravljanje omogućuje utvrđivanje i postavljanje točnih procesnih parametara za standardizirano emulzijsko gorivo trajno visoke kvalitete. Ultrazvučni protočni reaktor s plaštem može se učinkovito hladiti te omogućuje obradu emulzije pri zadanim temperaturama. Robusnost naše ultrazvučne opreme omogućuje rad 24/7 pri velikim opterećenjima i u zahtjevnim okruženjima.
Tablica u nastavku daje uvid u približan kapacitet obrade naših ultrazvučnih uređaja: