Emulsioni a ultrasuoni per la combustione di acqua nel diesel

I generatori di energia, i motori delle navi e i motori ferroviari, alimentati a diesel, possono funzionare in modo più efficiente se si utilizzano emulsioni acqua-diesel. I carburanti in emulsione acqua-diesel riducono il consumo di carburante, abbassano la temperatura di combustione, bruciano in modo più pulito e riducono le emissioni, come NOx e fuliggine. L'emulsificazione a ultrasuoni è un metodo affidabile, semplice ed efficace per produrre carburanti acqua-diesel di alta qualità.

Emulsificazione a ultrasuoni di acqua in diesel

Le emulsioni acqua-diesel (WiDE; W/D emulsion fuel) sono un'alternativa al gasolio modificato, che contiene fino al 15% di acqua. Conosciute anche come aqua-fuel, nelle emulsioni acqua-diesel le gocce d'acqua vengono emulsionate a ultrasuoni nella fase continua del diesel. L'intensa sonicazione dei liquidi genera la cavitazione acustica. Le forze di taglio cavitazionali disgregano le goccioline e producono un'emulsione omogenea delle fasi acqua e diesel, altrimenti immiscibili.

Emulsione acqua/diesel

La WiDE (emulsione W/D) è definita come una miscela di liquidi naturalmente immiscibili di gocce d'acqua (fase dispersa/interna) in diesel (fase continua/esterna). Un agente emulsionante viene aggiunto in basse concentrazioni per migliorare la stabilità delle emulsioni e ridurre il fabbisogno di energia di miscelazione.

emulsione bifase

Un'emulsione bifase descrive la miscela di acqua e gasolio senza l'uso di alcun tensioattivo. Per una WiDE bifase, i flussi di alimentazione dell'acqua e del gasolio vengono emulsionati a ultrasuoni proprio davanti al motore. L'emulsione bifase acqua-gasolio a ultrasuoni passa direttamente dal reattore a celle di flusso a ultrasuoni al motore a combustione. Senza tensioattivi, l'emulsione non è destinata allo stoccaggio, ma alla combustione diretta.

Caso di studio di un carburante in emulsione acqua-diesel

L'impostazione

Ithnin et al. (2018) hanno studiato l'effetto dell'emulsione acqua-diesel (WiDE) su un motore diesel monocilindrico a iniezione diretta. L'acqua e il gasolio sono stati stoccati in unità diverse, da cui sono stati trasferiti quantitativamente in un sistema di miscelazione. Il sistema di miscelazione consisteva in una combinazione di miscelatore ad alto taglio e omogeneizzatore a ultrasuoni. Il miscelatore a taglio ha fornito una premiscela grezza di acqua e gasolio, mentre la sonicazione è stata utilizzata per ottenere un'emulsione fine e uniforme. L'emulsione acqua-diesel è stata preparata con il 5% di acqua. Il carburante WiDE omogeneo è stato trasferito direttamente dal sistema di miscelazione al motore. Il carburante WiDE preparato non conteneva tensioattivi, pertanto è stato definito un carburante in emulsione instabile a lungo termine (UW/D). Il motore diesel è stato testato in quattro diverse condizioni di carico (1 kW (25%), 2 kW (50%), 3 kW (74%), 4 kW (100%)) e con una velocità costante di 3000 giri/min. Per confrontare gli effetti, come le prestazioni del carburante e le emissioni, sono stati testati sullo stesso motore anche un'emulsione stabilizzata con tensioattivi (emulsione stabile (SW/D)) e il gasolio puro (D2). Sia per l'emulsione instabile che per quella stabile è stato utilizzato il 5% di acqua.

I risultati

Il test del motore mostra che il carburante in emulsione acqua-diesel senza tensioattivi (UW/D) determina un miglioramento significativo del motore con un aumento del 3,59% dell'efficienza termica al freno (BTE) e una riduzione del 3,89% del consumo specifico di carburante al freno (BSFC) rispetto al gasolio puro. I carburanti in emulsione, sia stabilizzati (SW/D) che non stabilizzati (UW/D), hanno aumentato l'efficienza termica del motore grazie al fenomeno della microesplosione. Il fenomeno della microesplosione provoca una rapida evaporazione delle gocce d'acqua emulsionate. Poiché le minuscole goccioline d'acqua sono circondate dall'olio, l'intenso processo di evaporazione le disgrega violentemente in particelle molto fini, favorendo la miscelazione di aria e carburante. La disgregazione delle gocce e la miscelazione con l'aria aumentano notevolmente l'efficienza della combustione.
I risultati dimostrano che il concetto di produzione e trasferimento in tempo reale dell'emulsione acqua-diesel nel motore senza l'uso di tensioattivi funziona molto bene. Il trasferimento immediato della miscela acqua-diesel preparata a ultrasuoni elimina il problema della stabilizzazione del carburante in emulsione immagazzinato e la dipendenza dal tensioattivo. Il carburante in emulsione acqua-diesel instabile (UW/D) ha mantenuto in modo affidabile la sua forma di emulsione senza raggiungere lo stadio di sedimentazione entro 25 secondi (vedi immagine sotto).

Comportamento delle gocce di un'emulsione di ater-in-diesel emulsionata ad ultrasuoni nel tempo a) 10 s, b) 25 s, c) 50 s e d) 132 s. (ingrandimento 1000×) – Ithnin et al. 2018

Rispetto al gasolio puro, l'emulsione acqua-diesel ha ridotto significativamente le emissioni di ossidi di azoto (NOx) e di particolato (PM), con una riduzione media rispettivamente del 31,66% e del 16,33%.

Nel complesso, le emulsioni preparate ad ultrasuoni – sia instabili che stabilizzati da tensioattivi – contribuiscono a risparmiare carburante diesel e a ridurre le emissioni di gas di scarico.
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Atomizzazione primaria e secondaria nella fiamma di spruzzo di carburante emulsionato.

Emulsione in fase ternaria

Un'emulsione in fase ternaria, nota anche come emulsione trifase, è composta da acqua, olio e un tensioattivo. Durante l'emulsione a ultrasuoni dell'acqua nella fase diesel viene aggiunto un tensioattivo. L'agente emulsionante prolunga la stabilità dell'emulsione e consente di conservare l'acqua nel gasolio. La stabilità dell'emulsione W/D dipende dall'emulsionante, dai parametri del processo a ultrasuoni e dalla temperatura. Con la giusta combinazione di tensioattivi e parametri di sonicazione, è possibile ottenere una significativa stabilità a lungo termine del WiDE.

L'installazione e il retrofit di un sistema di emulsionamento a ultrasuoni è semplice, sicuro e poco costoso. I carburanti in emulsione W/D possono essere utilizzati in combinazione con qualsiasi motore diesel convenzionale (ad esempio, generatori di energia, motori ferroviari, motori navali) senza alcuna modifica.

Cosa rende i combustibili WiDE più efficienti? – Il fenomeno della microesplosione

I carburanti in emulsione acqua-diesel sono costituiti da particelle d'acqua in sospensione in una fase continua di gasolio. Al momento della combustione, le goccioline d'acqua di dimensioni ridotte contenute nel carburante in emulsione raggiungono la fase surriscaldata più velocemente del gasolio e creano una rottura per espansione del vapore (esplosione spontanea) durante la combustione, creando particelle molto fini. Grazie all'aumento della superficie delle particelle minuscole combinate con l'aria di aspirazione, la miscelazione di aria e carburante migliora significativamente, aumentando così l'efficienza della combustione. (Ivanov, Nevedov 1965)

Sistemi di emulsione a ultrasuoni ad alte prestazioni

Hielscher Ultrasonics fornisce processori a ultrasuoni ad alte prestazioni per la produzione continua di (nano)emulsioni di alta qualità. Prestazioni ultrasoniche superiori, robustezza e ingombro ridotto fanno degli ultrasonici Hielscher il sistema di miscelazione ideale per i carburanti in emulsione acqua-diesel. Sia che vogliate produrre emulsioni di carburante per l'iniezione diretta in un motore a combustione, sia che vogliate produrre emulsioni di carburante stabili per lo stoccaggio e la successiva combustione, Hielscher Ultrasonics ha l'impianto più adatto alla vostra applicazione. Dai sistemi di emulsione a ultrasuoni più piccoli per l'integrazione nelle locomotive ferroviarie e nelle imbarcazioni per la navigazione interna fino alla generazione di grandi volumi di carburante acquoso per le centrali elettriche e le grandi imbarcazioni marine. – i nostri cluster di processori a ultrasuoni consentono di trattare il carburante in emulsione di qualsiasi volume.
Oltre all'elevata potenza ultrasonora, all'affidabilità e alla robustezza, Hielscher Ultrasonics’ I processori industriali a ultrasuoni possono essere controllati e monitorati con precisione. I sensori di temperatura e pressione trasmettono i dati al generatore, dove tutti i parametri di processo più importanti, come ampiezza, energia netta e totale, temperatura e pressione, vengono registrati su una scheda SD integrata. Il controllo software intelligente consente di stabilire e impostare i parametri di processo esatti per un combustibile in emulsione standardizzato di qualità costante. Il reattore a flusso ultrasonico incamiciato può essere raffreddato in modo efficiente e consente di lavorare l'emulsione a temperature specifiche. La robustezza delle nostre apparecchiature a ultrasuoni consente un funzionamento 24 ore su 24, 7 giorni su 7, in condizioni di lavoro gravose e in ambienti difficili.
La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasonori: