Emulsi Ultrasonik untuk Pembakaran Air dalam Diesel

Generator listrik, mesin kapal, dan mesin kereta api yang menggunakan bahan bakar diesel dapat dioperasikan dengan lebih efisien ketika emulsi air dalam diesel digunakan. Bahan bakar emulsi air–diesel mengurangi konsumsi bahan bakar, menurunkan suhu pembakaran, menghasilkan pembakaran yang lebih bersih, dan mengurangi emisi, seperti NOx dan jelaga. Emulsifikasi ultrasonik merupakan metode yang andal, sederhana, dan efektif untuk menghasilkan bahan bakar air dalam diesel berkualitas tinggi.

Emulsifikasi Ultrasonik Air dalam Diesel

Emulsi air dalam diesel (WiDE; bahan bakar emulsi W/D) merupakan alternatif bahan bakar diesel yang dimodifikasi dan mengandung hingga 15% air. Dalam emulsi air–diesel, yang juga dikenal sebagai aqua-fuel, tetesan air diemulsikan secara ultrasonik ke dalam fase diesel kontinu. Sonikasi intensif pada cairan menghasilkan kavitasi akustik. Gaya geser akibat kavitasi memecah tetesan dan menghasilkan emulsi homogen dari fase air dan diesel yang tanpa proses ini tidak saling bercampur.

Emulsi Air dalam Diesel

WiDE (emulsi W/D) didefinisikan sebagai campuran cairan yang secara alami tidak saling bercampur, berupa tetesan air (fase terdispersi/internal) dalam diesel (fase kontinu/eksternal). Zat pengemulsi ditambahkan pada konsentrasi rendah untuk meningkatkan stabilitas emulsi dan menurunkan kebutuhan energi pencampuran.

Emulsi Dua Fase

Emulsi dua fase menggambarkan campuran air dalam diesel tanpa penggunaan surfaktan apa pun. Untuk WiDE dua fase, aliran umpan air dan diesel diemulsikan secara ultrasonik tepat sebelum memasuki mesin. Emulsi ultrasonik air dalam diesel dua fase mengalir langsung dari reaktor sel alir ultrasonik ke mesin pembakaran. Tanpa surfaktan, emulsi ini dibuat untuk pembakaran langsung, bukan untuk penyimpanan.

Studi Kasus Bahan Bakar Emulsi Air–Diesel

Konfigurasi Pengujian

Ithnin et al. (2018) mempelajari pengaruh bahan bakar emulsi air dalam diesel (WiDE) pada mesin diesel satu silinder dengan injeksi langsung. Air dan diesel disimpan dalam unit terpisah, lalu dipindahkan secara kuantitatif ke sistem pencampuran. Sistem pencampuran terdiri atas kombinasi pencampur geser tinggi dan homogenizer ultrasonik. Pencampur geser menghasilkan campuran awal air dan diesel yang kasar, sedangkan sonikasi digunakan untuk menghasilkan emulsi berukuran halus dan seragam. Emulsi air–diesel disiapkan dengan 5% air. Bahan bakar WiDE yang homogen dipindahkan langsung dari sistem pencampuran ke mesin. Bahan bakar WiDE yang disiapkan tidak mengandung surfaktan apa pun, sehingga disebut bahan bakar emulsi yang tidak stabil dalam jangka panjang (UW/D). Mesin diesel diuji pada empat kondisi beban yang berbeda (1 kW (25%), 2 kW (50%), 3 kW (74%), 4 kW (100%)) dan pada kecepatan konstan 3000 rpm. Untuk membandingkan pengaruhnya, seperti kinerja bahan bakar dan emisi, bahan bakar emulsi yang distabilkan dengan surfaktan (emulsi stabil (SW/D)) dan bahan bakar diesel murni (D2) juga diuji pada mesin yang sama. Kandungan air 5% digunakan baik untuk emulsi tidak stabil maupun emulsi stabil.

Hasil Pengujian

Pengujian mesin menunjukkan bahwa bahan bakar emulsi air–diesel tanpa surfaktan (UW/D) menghasilkan peningkatan kinerja mesin yang signifikan, dengan peningkatan efisiensi termal rem (BTE) sebesar 3,59% dan penurunan konsumsi bahan bakar spesifik rem (BSFC) sebesar 3,89% dibandingkan dengan bahan bakar diesel murni. Bahan bakar emulsi, baik yang distabilkan (SW/D) maupun yang tidak distabilkan (UW/D), meningkatkan efisiensi termal mesin berkat fenomena ledakan mikro. Fenomena ledakan mikro menyebabkan penguapan cepat tetesan air yang teremulsi. Karena tetesan air yang sangat kecil dikelilingi oleh minyak, proses penguapan yang intens memecah tetesan secara dahsyat menjadi partikel yang sangat halus, sehingga meningkatkan pencampuran udara dan bahan bakar. Pemecahan tetesan dan pencampuran dengan udara meningkatkan efisiensi pembakaran secara signifikan.
Hasilnya menunjukkan bahwa konsep produksi dan pemindahan bahan bakar emulsi air–diesel secara waktu nyata ke mesin tanpa menggunakan surfaktan bekerja dengan sangat baik. Pemindahan segera campuran air–diesel yang disiapkan secara ultrasonik menghilangkan masalah stabilisasi bahan bakar emulsi yang disimpan serta ketergantungan pada surfaktan. Bahan bakar emulsi air–diesel yang tidak stabil (UW/D) secara andal mempertahankan bentuk emulsinya tanpa mencapai tahap sedimentasi dalam waktu 25 detik (lihat gambar di bawah).

Perilaku tetesan bahan bakar emulsi air dalam diesel yang diemulsikan secara ultrasonik seiring waktu a) 10 s, b) 25 s, c) 50 s dan d) 132 s. (perbesaran 1000×) – Ithnin et al. 2018

Dibandingkan dengan bahan bakar diesel murni, bahan bakar emulsi air dalam diesel menghasilkan emisi gas buang nitrogen oksida (NOx) dan materi partikulat (PM) yang jauh lebih rendah, dengan penurunan rata-rata masing-masing sebesar 31,66% dan 16,33%.

Secara keseluruhan, emulsi yang disiapkan secara ultrasonik – baik yang tidak stabil maupun yang distabilkan dengan surfaktan – membantu menghemat bahan bakar diesel dan mengurangi emisi gas buang.
Emisi Gas Buang yang Lebih Ramah Lingkungan dan Penghematan Bahan Bakar dengan Ultrasonik!

Atomisasi primer dan sekunder dalam nyala semprotan bahan bakar teremulsi.

Emulsi Tiga Fase

Emulsi fase terner, yang juga dikenal sebagai emulsi tiga fase, terdiri atas air, minyak, dan surfaktan. Selama emulsifikasi ultrasonik air ke dalam fase diesel, surfaktan ditambahkan. Zat pengemulsi memperpanjang stabilitas emulsi dan memungkinkan penyimpanan bahan bakar air dalam diesel. Stabilitas emulsi W/D bergantung pada pengemulsi, parameter proses ultrasonik, dan suhu. Dengan kombinasi surfaktan dan parameter sonikasi yang tepat, stabilitas jangka panjang WiDE yang signifikan dapat dicapai.

Pemasangan dan pemasangan tambahan sistem emulsifikasi ultrasonik pada peralatan yang sudah ada bersifat sederhana, aman, dan murah. Bahan bakar emulsi W/D dapat digunakan dengan mesin diesel konvensional apa pun (misalnya generator listrik, mesin kereta api, mesin kapal) tanpa modifikasi.

Apa yang Membuat Bahan Bakar WiDE Lebih Efisien? – Fenomena Ledakan Mikro

Bahan bakar emulsi air dalam diesel terdiri atas partikel air yang tersuspensi dalam fase diesel kontinu. Saat dibakar, tetesan air berukuran halus dalam bahan bakar emulsi mencapai kondisi pemanasan lewat lebih cepat daripada diesel dan mengalami pemecahan akibat ekspansi uap (ledakan spontan) selama pembakaran, sehingga menghasilkan partikel yang sangat halus. Berkat peningkatan luas permukaan partikel yang sangat kecil dan penggabungannya dengan udara masuk, pencampuran udara dan bahan bakar meningkat secara signifikan sehingga meningkatkan efisiensi pembakaran. (Ivanov, Nevedov 1965)

Sistem Emulsifikasi Ultrasonik Berkinerja Tinggi

Hielscher Ultrasonics menyediakan prosesor ultrasonik berkinerja tinggi untuk produksi (nano-)emulsi berkualitas tinggi secara kontinu. Kinerja ultrasonik yang unggul, ketangguhan, dan kebutuhan ruang yang kecil menjadikan sonikator Hielscher sistem pencampuran yang ideal untuk bahan bakar emulsi air dalam diesel. Baik Anda ingin memproduksi bahan bakar emulsi untuk injeksi langsung ke mesin pembakaran maupun bahan bakar emulsi stabil untuk disimpan dan dibakar kemudian, Hielscher Ultrasonics memiliki konfigurasi yang paling sesuai untuk aplikasi Anda. Mulai dari sistem emulsi ultrasonik yang lebih kecil untuk diintegrasikan pada lokomotif kereta api dan kapal perairan pedalaman hingga produksi aqua-fuel dalam volume besar untuk pembangkit listrik dan kapal laut berukuran sangat besar – kelompok prosesor ultrasonik kami memungkinkan pemrosesan bahan bakar emulsi dalam volume berapa pun.
Selain memiliki keluaran ultrasonik yang tinggi, keandalan, dan ketangguhan, prosesor ultrasonik industri Hielscher Ultrasonics dapat dikendalikan dan dipantau secara presisi. Sensor suhu dan tekanan mengirimkan data ke generator, tempat semua parameter proses penting seperti amplitudo, energi neto dan total, suhu, serta tekanan direkam pada kartu SD terintegrasi. Kontrol perangkat lunak cerdas memungkinkan penentuan dan pengaturan parameter proses yang tepat untuk menghasilkan bahan bakar emulsi terstandar dengan kualitas yang selalu tinggi. Reaktor alir ultrasonik berjaket dapat didinginkan secara efisien dan memungkinkan pemrosesan emulsi pada suhu yang ditentukan. Ketangguhan peralatan ultrasonik kami memungkinkan pengoperasian 24/7 pada beban berat dan di lingkungan dengan tuntutan tinggi.
Tabel di bawah memberikan gambaran perkiraan kapasitas pemrosesan sonikator kami: