Ultrahangos emulziók víz a dízelben típusú üzemanyagok elégetéséhez

A dízelüzemű áramfejlesztők, hajómotorok és vasúti motorok hatékonyabban üzemeltethetők víz a dízelben típusú emulziók használatával. A víz–dízel emulziós üzemanyagok csökkentik az üzemanyag-fogyasztást, alacsonyabb égési hőmérsékletet eredményeznek, tisztábban égnek, és csökkentik például az NOx és a korom kibocsátását. Az ultrahangos emulgeálás megbízható, egyszerű és hatásos módszer kiváló minőségű, víz a dízelben típusú üzemanyagok előállítására.

Víz ultrahangos emulgeálása dízelüzemanyagban

A víz a dízelben típusú emulziók (WiDE; W/D emulziós üzemanyag) módosított, alternatív dízelüzemanyagok, amelyek legfeljebb 15% vizet tartalmaznak. Az aqua-fuel néven is ismert víz–dízel emulziókban a vízcseppeket ultrahanggal emulgeálják a folytonos dízelfázisba. A folyadékok intenzív ultrahangos kezelése akusztikus kavitációt hoz létre. A kavitációs nyíróerők szétszakítják a cseppeket, és homogén emulziót hoznak létre az egyébként egymással nem elegyedő víz- és dízelfázisból.

Víz a dízelben típusú emulzió

A WiDE (W/D emulzió) meghatározása szerint természetüknél fogva nem elegyedő folyadékok keveréke, amelyben a vízcseppek (diszpergált/belső fázis) a dízelüzemanyagban (folytonos/külső fázis) helyezkednek el. Az emulzió stabilitásának javítása és a keverés energiaigényének csökkentése érdekében kis koncentrációban emulgeálószert adnak hozzá.

Kétfázisú emulzió

A kétfázisú emulzió a víz és a dízelüzemanyag olyan keverékét jelenti, amelyhez semmilyen felületaktív anyagot nem használnak. A kétfázisú WiDE előállításakor a betáplált víz- és dízeláramot közvetlenül a motor előtt ultrahanggal emulgeálják. Az ultrahanggal előállított kétfázisú, víz a dízelben típusú emulzió az ultrahangos átfolyó cellás reaktorból közvetlenül a belső égésű motorba jut. Felületaktív anyag nélkül az emulziót nem tárolásra, hanem közvetlen elégetésre állítják elő.

Esettanulmány a víz–dízel emulziós üzemanyagról

A kísérleti elrendezés

Ithnin és munkatársai (2018) a víz a dízelben típusú emulziós üzemanyag (WiDE) hatását vizsgálták egy egyhengeres, közvetlen befecskendezésű dízelmotoron. A vizet és a dízelüzemanyagot külön egységekben tárolták, amelyekből kvantitatív módon juttatták őket egy keverőrendszerbe. A keverőrendszer egy nagy nyíróerejű keverő és egy ultrahangos homogenizátor kombinációjából állt. A nyírókeverő a víz és a dízelüzemanyag durva előkeverékét hozta létre, míg az ultrahangos kezelést finom cseppméretű, egyenletes emulzió előállítására használták. A víz–dízel emulziót 5% vízzel készítették el. A homogén WiDE üzemanyagot a keverőrendszerből közvetlenül a motorba juttatták. Az elkészített WiDE üzemanyag nem tartalmazott felületaktív anyagokat, ezért hosszú távon instabil emulziós üzemanyagnak (UW/D) nevezték. A dízelmotort négy különböző terhelési állapotban (1 kW (25%), 2 kW (50%), 3 kW (74%), 4 kW (100%)) és állandó, 3000 rpm fordulatszámon tesztelték. Az olyan hatások összehasonlítására, mint az üzemanyag teljesítménye és a kibocsátások, ugyanazon a motoron felületaktív anyaggal stabilizált emulziós üzemanyagot (stabil emulzió (SW/D)) és tiszta dízelüzemanyagot (D2) is teszteltek. Mind az instabil, mind a stabil emulzióhoz 5% vizet használtak.

Az eredmények

A motorvizsgálat azt mutatja, hogy a felületaktív anyag nélküli víz–dízel emulziós üzemanyag (UW/D) jelentősen javítja a motor működését: a tiszta dízelüzemanyaghoz képest a hasznos termikus hatásfok (BTE) 3,59%-kal nő, a hasznos teljesítményre vonatkoztatott fajlagos üzemanyag-fogyasztás (BSFC) pedig 3,89%-kal csökken. Mind a stabilizált (SW/D), mind a nem stabilizált (UW/D) emulziós üzemanyagok növelték a motor termikus hatásfokát a mikrorobbanás jelensége révén. A mikrorobbanás jelensége az emulgeált vízcseppek gyors elpárolgását okozza. Mivel az apró vízcseppeket olaj veszi körül, az intenzív párolgási folyamat hevesen, nagyon finom részecskékre szakítja szét a cseppeket, ami elősegíti a levegő és az üzemanyag keveredését. A cseppek szétszakadása és a levegővel való keveredés jelentősen növeli az égés hatásfokát.
Az eredmények azt mutatják, hogy a víz–dízel emulziós üzemanyag felületaktív anyag nélküli, valós idejű előállítása és motorba juttatása nagyon jól működik. Az ultrahanggal elkészített víz–dízel keverék azonnali továbbítása megszünteti a tárolt emulziós üzemanyag stabilizálási problémáját, valamint a felületaktív anyagtól való függőséget. Az instabil víz–dízel emulziós üzemanyag (UW/D) megbízhatóan megőrizte emulziós formáját, és 25sec időtartamon belül nem jutott el az ülepedési szakaszig (lásd az alábbi képet).

Az ultrahanggal emulgeált, víz a dízelben típusú emulziós üzemanyag cseppjeinek időbeli viselkedése: a) 10 s, b) 25 s, c) 50 s és d) 132 s. (1000× nagyítás) – Ithnin és munkatársai, 2018

A tiszta dízelüzemanyaghoz képest a víz a dízelben típusú emulziós üzemanyag esetében jelentősen csökken a kipufogógáz nitrogén-oxid- (NOx) és részecskekibocsátása (PM), átlagosan 31,66%-kal, illetve 16,33%-kal.

Összességében az ultrahanggal előállított emulziók – akár instabilak, akár felületaktív anyaggal stabilizáltak – segítenek megtakarítani a dízelüzemanyagot és csökkenteni a kipufogógáz-kibocsátást.
Környezetkímélőbb kipufogógáz-kibocsátás és üzemanyag-megtakarítás ultrahanggal!

Elsődleges és másodlagos porlasztás az emulgeált üzemanyag porlasztott lángjában.

Háromfázisú emulzió

A háromfázisú, más néven ternér emulzió vízből, olajból és egy felületaktív anyagból áll. A víz dízelfázisba történő ultrahangos emulgeálása során felületaktív anyagot adnak hozzá. Az emulgeálószer meghosszabbítja az emulzió stabilitásának időtartamát, és lehetővé teszi a víz a dízelben típusú üzemanyag tárolását. A W/D emulzió stabilitása az emulgeálószertől, az ultrahangos folyamat paramétereitől és a hőmérséklettől függ. A felületaktív anyag és az ultrahangos kezelési paraméterek megfelelő kombinációjával a WiDE jelentős hosszú távú stabilitása érhető el.

Az ultrahangos emulgeálórendszer telepítése és utólagos beépítése egyszerű, biztonságos és olcsó. A W/D emulziós üzemanyagok bármely hagyományos dízelmotorral (például áramfejlesztők, vasúti járművek és hajók motorjaival) használhatók, módosítás nélkül.

Mitől hatékonyabbak a WiDE üzemanyagok? – A mikrorobbanás jelensége

A víz a dízelben típusú emulziós üzemanyagok folytonos dízelfázisban szuszpendált vízrészecskékből állnak. Égéskor az emulziós üzemanyag finom vízcseppjei a dízelüzemanyagnál hamarabb érik el túlhevített állapotukat, és az égés során a gőz tágulása által kiváltott szétesést (spontán robbanást) okoznak, amely nagyon finom részecskéket hoz létre. A beszívott levegővel érintkező apró részecskék megnövekedett felületének köszönhetően a levegő és az üzemanyag keveredése jelentősen javul, ezáltal nő az égés hatásfoka. (Ivanov, Nevedov 1965)

Nagy teljesítményű ultrahangos emulgeálórendszerek

A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos processzorokat kínál kiváló minőségű (nano-)emulziók folyamatos előállításához. A kiemelkedő ultrahangos teljesítmény, a robusztusság és a kis helyigény a Hielscher ultrahangos berendezéseit ideális keverőrendszerré teszi a víz a dízelben típusú emulziós üzemanyagokhoz. Akár belső égésű motorba történő közvetlen befecskendezéshez szeretne emulziós üzemanyagot előállítani, akár tárolásra és későbbi elégetésre szánt stabil emulziós üzemanyagot, a Hielscher Ultrasonics az Ön alkalmazásához legmegfelelőbb összeállítást kínálja. A vasúti mozdonyokba és belvízi hajókba beépíthető kisebb ultrahangos emulgeálórendszerektől az erőművek és hatalmas tengeri hajók számára nagy mennyiségben előállított aqua-fuel üzemanyagig – ultrahangos processzoraink csoportjai bármilyen térfogatú emulziós üzemanyag feldolgozását lehetővé teszik.
A nagy ultrahangos kimenőteljesítmény, a megbízhatóság és a robusztusság mellett a Hielscher Ultrasonics ipari ultrahangos processzorai pontosan vezérelhetők és felügyelhetők. A hőmérséklet- és nyomásérzékelők továbbítják az adatokat a generátornak, ahol minden fontos folyamatparamétert, például az amplitúdót, a nettó és teljes energiát, a hőmérsékletet és a nyomást egy beépített SD-kártyán rögzítenek. Az intelligens szoftveres vezérlés lehetővé teszi a pontos folyamatparaméterek meghatározását és beállítását a folyamatosan kiváló minőségű, szabványosított emulziós üzemanyag előállításához. A köpenyes ultrahangos átfolyó reaktor hatékonyan hűthető, és lehetővé teszi az emulzió meghatározott hőmérsékleteken történő feldolgozását. Ultrahangos berendezéseink robusztussága lehetővé teszi a 24/7 üzemeltetést nagy igénybevétel mellett és megterhelő környezetben.
Az alábbi táblázat tájékoztatást ad ultrahangos berendezéseink hozzávetőleges feldolgozási kapacitásáról: