I generatori di energia, i motori delle navi e i motori ferroviari, che sono alimentati a gasolio, possono essere fatti funzionare in modo più efficiente quando si utilizzano emulsioni acqua-in-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 ad ultrasuoni è un metodo affidabile, semplice ed efficace per produrre carburanti ad acqua e gasolio di alta qualità.

Emulsificazione ad ultrasuoni dell'acqua nel gasolio

Le emulsioni ad acqua in gasolio (WiDE; W/D emulsion fuel) sono un'alternativa modificata al gasolio, che contiene fino al 15% di acqua. Conosciuto anche come carburante acquatico, nelle emulsioni acqua-diesel, le goccioline d'acqua vengono emulsionate ad ultrasuoni nella fase diesel continua. L'intensa sonicazione dei liquidi genera cavitazione acustica. Le forze di taglio cavitazionale interrompono la gocciolina e producono un'emulsione omogenea delle fasi dell'acqua e del diesel altrimenti immiscibili.

Emulsione acqua in gasolio

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

Emulsione bifasica

Un'emulsione bifasica descrive la miscela di acqua nel gasolio senza l'uso di alcun tensioattivo. Per un WiDE bifase, i flussi di alimentazione dell'acqua e del diesel sono emulsionati ad ultrasuoni proprio davanti al motore. L'emulsione bifase ad ultrasuoni ad acqua e gasolio passa direttamente dal reattore a ultrasuoni a cella di flusso nel motore a combustione. Senza tensioattivo, l'emulsione non è fatta per lo stoccaggio, ma per la combustione diretta.

Caso di studio di carburante ad emulsione acqua-diesel

Il setup

Ithnin et al. (2018) hanno studiato l'effetto del carburante ad emulsione acqua-in-diesel (WiDE) su un motore diesel monocilindrico a iniezione diretta. L'acqua e il diesel sono stati immagazzinati in diverse unità, dalle quali sono stati quantitativamente trasferiti in un sistema di miscelazione. Il sistema di miscelazione consisteva in una combinazione di miscelatore ad alto taglio e omogeneizzatore ad ultrasuoni. Il miscelatore a cesoia forniva una premiscelazione grezza di acqua e diesel, mentre la sonicazione era utilizzata per un'emulsione fine e uniforme. L'emulsione acqua-diesel è stata preparata con il 5% di acqua. Il carburante omogeneo WiDE è stato trasferito direttamente dal sistema di miscelazione nel motore. Il combustibile WiDE preparato non conteneva tensioattivi, quindi è stato definito come un combustibile ad 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. Al fine di confrontare gli effetti come le prestazioni del carburante e le emissioni, sullo stesso motore sono stati testati anche un carburante in emulsione stabilizzata con tensioattivi (emulsione stabile (SW/D)) e un carburante diesel pulito (D2). Il 5% dell'acqua è utilizzato sia per l'emulsione instabile che per l'emulsione stabile.

I risultati

La prova del motore mostra che il carburante in emulsione acqua-diesel senza tensioattivo (UW/D) comporta un miglioramento significativo del motore con un aumento del 3,59% dell'efficienza termica dei freni (BTE) e una riduzione del 3,89% del consumo di carburante specifico per freni (BSFC) rispetto al carburante diesel puro. I carburanti dell'emulsione, sia stabilizzati (SW/D) che non stabilizzati (UW/D), hanno aumentato l'efficienza termica del motore a causa del fenomeno della microesplosione. Il fenomeno della microesplosione provoca una rapida evaporazione delle goccioline d'acqua emulsionate. Poiché le minuscole goccioline d'acqua sono circondate da olio, l'intenso processo di evaporazione perturba violentemente le goccioline in particelle molto fini, il che favorisce la miscelazione di aria e carburante. L'interruzione delle gocce e la miscelazione con l'aria aumenta notevolmente l'efficienza della combustione.
I risultati mostrano che il concetto di produrre e trasferire il carburante in emulsione acqua-diesel in tempo reale nel motore senza l'uso di tensioattivi funziona molto bene. L'immediato trasferimento della miscela acqua-diesel preparata ad 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 la fase di sedimentazione entro 25sec (vedi foto sotto).

Comportamento delle goccioline di carburante in emulsione ater-in-diesel emulsionato 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 pulito, il carburante in emulsione acqua-in-diesel ha un'emissione di scarico di ossidi di azoto (NOx) e di particolato (PM) significativamente ridotta, con una riduzione media del 31,66% e del 16,33% rispettivamente.

Nel complesso, emulsioni preparate ad ultrasuoni – sia instabile o stabilizzato dal tensioattivo – aiutano a risparmiare carburante diesel e a ridurre le emissioni di scarico.
Emissioni di scarico più verdi e risparmio di carburante con gli ultrasuoni!

Nebulizzazione primaria e secondaria in fiamma a spruzzo di combustibile emulsionato.

Emulsione in fase ternaria

Un'emulsione a fase ternaria, nota anche come emulsione trifase, consiste in acqua, olio e un tensioattivo. Durante l'emulsione ad ultrasuoni dell'acqua nella fase diesel viene aggiunto un tensioattivo. L'agente emulsionante prolunga la stabilità dell'emulsione e permette di stoccare il carburante acqua-in-diesel. La stabilità dell'emulsione W/D dipende dall'emulsionante, dai parametri di processo ad 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 emulsificazione ad ultrasuoni è semplice, sicuro ed economico. 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 modifiche.

Cosa rende i combustibili WiDE più efficienti? – Il fenomeno delle microesplosioni

I carburanti in emulsione acqua-in-diesel consistono in particelle d'acqua in sospensione in una fase diesel continua. Quando vengono bruciate, le goccioline d'acqua di dimensioni fini nel combustibile dell'emulsione raggiungono il loro stadio di surriscaldamento più velocemente del diesel e creano una rottura di espansione del vapore (esplosione spontanea) durante la combustione, creando particelle molto fini. Grazie all'aumento della superficie delle minuscole particelle combinate con l'aria di aspirazione, la miscelazione dell'aria e del combustibile viene notevolmente migliorata e aumenta così l'efficienza della combustione. (Ivanov, Nevedov 1965)

Sistemi di emulsificazione ad ultrasuoni ad alte prestazioni

Hielscher Ultrasonics fornisce processori ad ultrasuoni ad alte prestazioni per la produzione continua di emulsioni (nano-)di alta qualità. Prestazioni ultrasoniche superiori, robustezza e un ingombro ridotto fanno degli ultrasuoni Hielscher Ultrasonicators il sistema di miscelazione ideale per i carburanti in emulsione acqua-gasolio. Sia che vogliate produrre carburanti in emulsione per l'iniezione diretta in un motore a combustione o carburanti in emulsione stabili per lo stoccaggio e la successiva combustione, Hielscher Ultrasonics ha la configurazione più adatta alla vostra applicazione. Dai più piccoli sistemi di emulsione ad ultrasuoni per l'integrazione nelle locomotive ferroviarie e nelle navi della navigazione interna fino alla generazione di grandi volumi di carburante acquatico per centrali elettriche e grandi imbarcazioni marine – i nostri cluster di processori ad ultrasuoni consentono il trattamento di qualsiasi volume di carburante in emulsione.
Oltre all'elevata emissione di ultrasuoni, all'affidabilità e alla robustezza, Hielscher Ultrasonics’ i processori industriali ad 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 importanti come l'ampiezza, l'energia netta e totale, la temperatura e la pressione sono registrati su una scheda SD incorporata. Il controllo intelligente del software permette di stabilire e impostare parametri di processo esatti per un combustibile di emulsione standardizzato di alta qualità continua. Il reattore a flusso di ultrasuoni rivestito può essere raffreddato in modo efficiente e consente di trattare 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 ultrasuoni: