NOx-ի նվազեցում յուղ/ջուր էմուլգացման միջոցով

Հայտնի է, որ ազոտի օքսիդները (NO_x) անմիջական վտանգ են ներկայացնում մարդու առողջության և շրջակա միջավայրի համար։ Շարժական և անշարժ դիզելային ու բենզինային շարժիչները մեծապես նպաստում են ամբողջ աշխարհում NO_x-ի արտանետումներին։ Վառելիքի էմուլգացումը ջրով շարժիչներից NO_x-ի արտանետումները նվազեցնելու միջոց է։ Ուլտրաձայնային էմուլգացումը մանր կաթիլներով վառելիք/ջուր էմուլսիաներ ստանալու արդյունավետ միջոց է։

Մարդատար և բեռնատար ավտոմեքենաները, օդանավերը, էլեկտրագեներատորները, պատառաքաղային բեռնիչները, օդորակիչներն ու կաթսաները նավթամթերքների այրման հետևանքով առաջացնում են մեծ քանակությամբ պինդ մասնիկներ (PM) և NO_x ։ NO_x-ը նշանակում է ազոտի մոնօքսիդի (NO) և ազոտի երկօքսիդի (NO₂), ինչպես նաև N₂O, NO₃, N₂O₄ և N₂O₅ խառնուրդներ։ Ազոտի մոնօքսիդն ու ազոտի երկօքսիդը նպաստում են մերձգետնյա օզոնի և սմոգի առաջացմանը և վտանգավոր են շրջակա միջավայրի ու մարդկանց համար։ Բնապահպանական կարգավորումը սահմանափակում է օդն աղտոտող նյութերի արտանետումները՝ խստացնելով սահմանաչափերը։ Շարժիչների արտանետումները ներառում են նաև ծծմբի երկօքսիդ (SO₂), որն առաջանում է վառելիքում առկա ծծմբային միացություններից։ Այս խնդիրը մեղմացվում է հիդրոծծմբազերծման կամ ուլտրաձայնի օժանդակությամբ ծծմբազերծման միջոցով.

Աշխատանք վառելիք/ջուր էմուլսիայով

Վերջին տարիներին բազմաթիվ աշխատանքներ են կատարվել՝ ուսումնասիրելու ջրի ազդեցությունը NO_x-ի արտանետումների մակարդակների վրա։ Այրման հատկությունները գնահատելու նպատակով փորձարկվել են վառելիք:ջուր տարբեր ծավալային հարաբերակցություններ՝ 1:1-ից մինչև 19:1։ Դեպքերի մեծ մասում էմուլսիան կայունացնելու համար ավելացվել է 1-ից մինչև 2 ծավալային տոկոս մակերևութային ակտիվ նյութ։

Ընդհանուր տեղեկություններ այրման մասին

Վառելիքի այրումն առաջացնում է ջերմային և մեխանիկական էներգիա։ Մեխանիկական մասը կարող է օգտագործվել մխոցները կամ տուրբինները շարժման մեջ դնելու համար՝ շարժիչ ուժ ստանալու կամ էլեկտրաէներգիա արտադրելու նպատակով։ Շարժիչների մեծ մասում ջերմային էներգիան չի օգտագործվում։ Սա հանգեցնում է ավելի ցածր թերմոդինամիկական արդյունավետության։

Մոտ 90% է կազմում վառելիքի այրման գործընթացում առաջացող NO_x-ի մեջ NO-ի բաժինը։ NO-ն հիմնականում առաջանում է մթնոլորտային ազոտի (N₂) օքսիդացման հետևանքով։ Վառելիքին ավելացված ջուրը գոլորշիանալու շնորհիվ նվազեցնում է այրման ջերմաստիճանը։ Երբ վառելիք/ջուր էմուլսիայում ջուրը գոլորշիանում է, գոլորշիանում է նաև այն շրջապատող վառելիքը։ Սա մեծացնում է վառելիքի մակերեսը։ Ավելի ցածր ջերմաստիճանն ու վառելիքի ավելի լավ բաշխումը հանգեցնում են ավելի քիչ NO_{x-ի առաջացման}.

Ուլտրաձայնային էմուլգացում

Բազմաթիվ աշխատանքներում ցույց է տրվել, որ վառելիքի այրման գործընթացում ջրի ներմուծումը նվազեցնում է NO_x-ի արտանետումները։ Ջուրը կարելի է ավելացնել՝ վառելիք/ջուր էմուլսիա ձևավորելով երկու եղանակով՝

• չկայունացված՝ ջրի էմուլգացում վառելիքի մեջ հոսքի ընթացքում՝ ներարկումից առաջ
• կայունացված՝ կայուն վառելիք/ջուր էմուլսիայի արտադրություն՝ որպես առանց փոփոխությունների կիրառելի այլընտրանքային վառելիք օգտագործելու համար

Canfield (1999)-ը ամփոփում է NO_x-ի նվազեցումը ջրի և այլ հավելումների օգտագործմամբ՝

• չկայունացված էմուլսիա
  • ավելացված ջրի ծավալային տոկոսը (vol%)՝ 10-ից մինչև 80%
  • NO_x-ի նվազեցումը՝ 4-ից մինչև 60%
• կայունացված էմուլսիա
  • ավելացված ջրի ծավալային տոկոսը (vol%)՝ 25-ից մինչև 50%
  • NO_x-ի նվազեցումը՝ 22-ից մինչև 83%

Էմուլսիա

Էմուլսիան սովորաբար իրար հետ չխառնվող հեղուկների (ֆազերի), օրինակ՝ յուղի և ջրի խառնուրդ է։ Էմուլգացման գործընթացում դիսպերս ֆազը (օրինակ՝ ջուրը) ներմուծվում է հեղուկ ֆազի (օրինակ՝ յուղի) մեջ։ Բարձր սահքի կիրառմամբ դիսպերս ֆազի մասնիկների չափը (= կաթիլների չափը) փոքրացվում է։ Որքան փոքր են մասնիկները, այնքան կայուն է ստացված էմուլսիան։ Լրացուցիչ կայունություն կարելի է ապահովել մակերևութային ակտիվ նյութերի կամ կայունացուցիչների ներմուծմամբ։ Սեղմեք վերևի գծապատկերին ՝ շարժիչային յուղում 10% ջրի ուլտրաձայնային էմուլգացման արդյունքների օրինակները տեսնելու համար (Velocite 3, Mobil Oil, Համբուրգ, Գերմանիա)։ Այս ուսումնասիրությունն իրականացրել են Behrend և Schubert (2000).

Ուլտրաձայն

Հեղուկները բարձր ինտենսիվությամբ ուլտրաձայնով մշակելիս հեղուկ միջավայրում տարածվող ձայնային ալիքներն առաջացնում են բարձր ճնշման (սեղմման) և ցածր ճնշման (նոսրացման) հերթագայվող ցիկլեր, որոնց կրկնման արագությունը կախված է հաճախականությունից։ Ցածր ճնշման ցիկլի ընթացքում բարձր ինտենսիվության ուլտրաձայնային ալիքները հեղուկում ստեղծում են փոքր վակուումային պղպջակներ կամ խոռոչներ։ Երբ պղպջակները հասնում են այնպիսի ծավալի, որի դեպքում այլևս չեն կարող էներգիա կլանել, բարձր ճնշման ցիկլի ընթացքում դրանք կտրուկ փլուզվում են։ Այս երևույթը կոչվում է կավիտացիա։ Ներփլուզման ընթացքում տեղային կերպով առաջանում են շատ բարձր ջերմաստիճաններ (մոտ 5 000K) և ճնշումներ (մոտ 2 000atm)։ Կավիտացիոն պղպջակի ներփլուզումն առաջացնում է նաև մինչև 280m/s արագությամբ հեղուկի շիթեր։

Ապացուցված է, որ ուլտրաձայնն առաջացնում է շատ համասեռ էմուլսիաներ ՝ ջուրը յուղի մեջ (w/o) և յուղը ջրի մեջ (o/w), բարձր կավիտացիոն սահքի շնորհիվ։ Քանի որ ուլտրաձայնային մշակման պարամետրերը լավ վերահսկելի են, մասնիկների չափն ու բաշխումը հնարավոր է լավ կարգավորել և վերարտադրել։ Սովորաբար ուլտրաձայնը կիրառվում է հոսքային խցիկով ռեակտորում։ Հետևաբար էմուլսիան կարելի է արտադրել անընդհատ՝ հոսքի ընթացքում։ Այդ պատճառով ուլտրաձայնային մշակումը կարող է օգտագործվել կայունացված և չկայունացված էմուլսիաների արտադրության համար։

Ստորև բերված աղյուսակը ցույց է տալիս մշակման ընդհանուր արտադրողականությունները ուլտրաձայնային հզորության տարբեր մակարդակների դեպքում։

Ուլտրաձայնային գազազերծում և փրփրազերծում

Ուլտրաձայնը նաև օգնում է նվազեցնել օդային պղպջակների քանակը էմուլսիոն խառնուրդում։ Աջ կողմի պատկերը ցույց է տալիս ուլտրաձայնային մշակման ազդեցությունը պղպջակների պարունակության վրա (ձախից աջ՝ ընթացքի պատկերներ 5 վրկ ընդմիջումներով)։ Քանի որ պղպջակների պարունակության փոփոխությունները տատանումներ են առաջացնում ներարկման ժամանակավորման մեջ, գազազերծումը, օդազերծումը և փրփրազերծումը ուլտրաձայնային մշակմամբ բարելավում են շարժիչի աշխատանքը։

Ուլտրաձայնային տեխնոլոգիական սարքավորումներ

Hielscher-ը բարձր արտադրողականությամբ ուլտրաձայնային սարքերի առաջատար մատակարարն է ամբողջ աշխարհում։ Քանի որ Hielscher-ն արտադրում է ուլտրաձայնային պրոցեսորներ՝ յուրաքանչյուր առանձին սարքի համար մինչև 16kW հզորությամբ, արտադրական կայանքի չափերի սահմանափակում չկա , ինչպես նաև մշակման արտադրողականության սահմանափակում։ Մի քանի 16kW համակարգերից կազմված խմբերն օգտագործվում են մեծ ծավալներով՝ առանց փոփոխությունների կիրառելի վառելիքներ արտադրելու համար։ Վառելիքի արդյունաբերական մշակումը մեծ քանակությամբ ուլտրաձայնային էներգիա չի պահանջում։ Էներգիայի իրական պահանջը կարելի է որոշել՝ սեղանային մասշտաբով օգտագործելով 1kW ուլտրաձայնային պրոցեսոր։ Նման սեղանային փորձարկումների բոլոր արդյունքները կարելի է հեշտությամբ մասշտաբավորել դեպի ավելի մեծ արտադրական ծավալներ.

Ուլտրաձայնային մշակման ծախսերը

Ուլտրաձայնային մշակումն արդյունավետ մշակման տեխնոլոգիա է։ Ուլտրաձայնային մշակման ծախսերը հիմնականում ձևավորվում են ուլտրաձայնային սարքերում ներդրումներից, կոմունալ ծառայությունների և տեխնիկական սպասարկման ծախսերից։ Բացառիկ էներգաարդյունավետությունը (տե՛ս գծապատկերը), որը բնորոշ է Hielscher-ի ուլտրաձայնային սարքերին, օգնում է նվազեցնել կոմունալ ծառայությունների ծախսերը։

Գրականություն

Behrend, O., Schubert, H. (2000)՝ Անընդհատ ֆազի մածուցիկության ազդեցությունը ուլտրաձայնով էմուլգացման վրա, հրատարակված՝ Ultrasonics Sonochemistry 7 (2000) 77–85։

Canfield, A., C. (1999)՝ Դիզելային վառելիք/ջուր էմուլսիայի այրման ազդեցությունը դիզելային շարժիչի NO_x-ի արտանետումների վրա, մագիստրոսական թեզ՝ ներկայացված Ֆլորիդայի համալսարանի հետբուհական դպրոցին, 1999։