Emulsioni a ultrasuoni per la combustione di acqua in diesel

I generatori elettrici, i motori navali e i motori ferroviari alimentati a diesel possono funzionare in modo più efficiente utilizzando emulsioni di acqua in diesel. I combustibili 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 combustibili di acqua in diesel di alta qualità.

Emulsificazione a ultrasuoni di acqua in diesel

Le emulsioni di acqua in diesel (WiDE; combustibile in emulsione W/D) sono un’alternativa modificata al combustibile diesel che contiene fino al 15% di acqua. Note anche come aquafuel, le emulsioni acqua-diesel si ottengono emulsionando a ultrasuoni le goccioline d’acqua nella fase continua di diesel. La sonicazione intensa dei liquidi genera cavitazione acustica. Le forze di taglio dovute alla cavitazione frammentano le goccioline e producono un’emulsione omogenea delle fasi di acqua e diesel, altrimenti immiscibili.

Emulsione di acqua in diesel

La WiDE (emulsione W/D) è definita come una miscela di liquidi naturalmente immiscibili, costituita da goccioline d’acqua (fase dispersa/interna) nel diesel (fase continua/esterna). Un agente emulsionante viene aggiunto a basse concentrazioni per migliorare la stabilità dell’emulsione e ridurre il fabbisogno energetico della miscelazione.

Emulsione bifasica

Un’emulsione bifasica descrive la miscela di acqua in diesel senza l’impiego di alcun tensioattivo. Per una WiDE bifasica, i flussi di alimentazione di acqua e diesel vengono emulsionati a ultrasuoni immediatamente a monte del motore. L’emulsione bifasica di acqua in diesel ottenuta a ultrasuoni passa direttamente dal reattore a ultrasuoni con cella di flusso al motore a combustione. Senza tensioattivo, l’emulsione è destinata alla combustione diretta, anziché allo stoccaggio.

Caso di studio sul combustibile in emulsione acqua-diesel

La configurazione sperimentale

Ithnin et al. (2018) hanno studiato l’effetto del combustibile in emulsione di acqua in diesel (WiDE) su un motore diesel monocilindrico a iniezione diretta. Acqua e diesel erano stoccati in unità separate, dalle quali venivano trasferiti in quantità definite a un sistema di miscelazione. Il sistema di miscelazione combinava un miscelatore ad alto taglio e un omogeneizzatore a ultrasuoni. Il miscelatore a taglio forniva una premiscela grossolana di acqua e diesel, mentre la sonicazione veniva utilizzata per ottenere un’emulsione uniforme con goccioline fini. L’emulsione acqua-diesel è stata preparata con il 5% di acqua. Il combustibile WiDE omogeneo veniva trasferito direttamente dal sistema di miscelazione al motore. Il combustibile WiDE preparato non conteneva tensioattivi ed è stato pertanto definito combustibile 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 a un regime costante di 3000 rpm. Per confrontare gli effetti, come le prestazioni del combustibile e le emissioni, sono stati testati sullo stesso motore anche un combustibile in emulsione stabilizzato con tensioattivo (emulsione stabile (SW/D)) e combustibile diesel puro (D2). Per entrambe le emulsioni, instabile e stabile, viene utilizzato il 5% di acqua.

I risultati

La prova del motore mostra che il combustibile in emulsione acqua-diesel senza tensioattivo (UW/D) determina un miglioramento significativo del motore, con un aumento del 3,59% del rendimento termico effettivo (BTE) e una riduzione del 3,89% del consumo specifico di combustibile riferito alla potenza effettiva (BSFC) rispetto al combustibile diesel puro. I combustibili in emulsione, sia stabilizzati (SW/D) sia non stabilizzati (UW/D), hanno aumentato il rendimento termico del motore grazie al 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 frammenta violentemente le goccioline in particelle finissime, favorendo la miscelazione di aria e combustibile. La frammentazione delle goccioline e la miscelazione con l’aria aumentano significativamente l’efficienza di combustione.
I risultati mostrano che il principio di produrre e trasferire in tempo reale il combustibile in emulsione acqua-diesel al motore senza utilizzare tensioattivi funziona molto bene. Il trasferimento immediato della miscela acqua-diesel preparata a ultrasuoni elimina sia il problema della stabilizzazione del combustibile in emulsione stoccato sia la dipendenza dal tensioattivo. Il combustibile in emulsione acqua-diesel instabile (UW/D) ha mantenuto in modo affidabile la propria forma emulsionata senza raggiungere la fase di sedimentazione entro 25sec (vedere l’immagine sotto).

Comportamento nel tempo delle goccioline del combustibile in emulsione di acqua in diesel emulsionato a ultrasuoni: a) 10 s, b) 25 s, c) 50 s e d) 132 s. (ingrandimento 1000×) – Ithnin et al. 2018

Rispetto al combustibile diesel puro, il combustibile in emulsione di acqua in diesel presenta emissioni allo scarico significativamente ridotte di ossidi di azoto (NOx) e particolato (PM), con una riduzione media rispettivamente del 31,66% e del 16,33%.

Nel complesso, le emulsioni preparate a ultrasuoni – sia instabili sia stabilizzate con tensioattivo – contribuiscono a risparmiare combustibile diesel e a ridurre le emissioni allo scarico.
Emissioni allo scarico più ecologiche e risparmio di combustibile con gli ultrasuoni!

Atomizzazione primaria e secondaria nella fiamma a spruzzo di combustibile emulsionato.

Emulsione trifasica

Un’emulsione ternaria, nota anche come emulsione trifasica, è costituita da acqua, olio e un tensioattivo. Durante l’emulsificazione a ultrasuoni dell’acqua nella fase di diesel viene aggiunto un tensioattivo. L’agente emulsionante prolunga la stabilità dell’emulsione e consente lo stoccaggio del combustibile di acqua in diesel. La stabilità dell’emulsione W/D dipende dall’emulsionante, dai parametri del processo a ultrasuoni e dalla temperatura. Con la giusta combinazione di tensioattivo e parametri di sonicazione, è possibile ottenere una notevole stabilità a lungo termine della WiDE.

L’installazione di un sistema di emulsificazione a ultrasuoni, anche su impianti esistenti, è semplice, sicura ed economica. I combustibili in emulsione W/D possono essere utilizzati con qualsiasi motore diesel convenzionale (ad esempio, generatori elettrici, motori ferroviari, motori navali) senza modifiche.

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

I combustibili in emulsione di acqua in diesel sono costituiti da particelle d’acqua sospese in una fase continua di diesel. Durante la combustione, le goccioline fini d’acqua nel combustibile in emulsione raggiungono lo stato di surriscaldamento più rapidamente del diesel e provocano una frammentazione dovuta all’espansione del vapore (esplosione spontanea), creando particelle finissime. Grazie all’aumento della superficie delle minuscole particelle e alla loro interazione con l’aria aspirata, la miscelazione di aria e combustibile migliora significativamente, aumentando così l’efficienza di combustione. (Ivanov, Nevedov 1965)

Sistemi di emulsificazione a ultrasuoni ad alte prestazioni

Hielscher Ultrasonics fornisce processori a ultrasuoni ad alte prestazioni per la produzione continua di (nano)emulsioni di alta qualità. Le prestazioni ultrasoniche superiori, la robustezza e l’ingombro ridotto rendono i sonicatori Hielscher il sistema di miscelazione ideale per i combustibili in emulsione di acqua in diesel. Che desideriate produrre combustibili in emulsione per l’iniezione diretta in un motore a combustione o combustibili in emulsione stabili per lo stoccaggio e la successiva combustione, Hielscher Ultrasonics dispone della configurazione più adatta alla vostra applicazione. Dai sistemi di emulsificazione a ultrasuoni più piccoli, da integrare nelle locomotive ferroviarie e nelle imbarcazioni per la navigazione interna, fino alla produzione di grandi volumi di aquafuel per centrali elettriche e imbarcazioni marittime di grandi dimensioni – i nostri gruppi di processori a ultrasuoni consentono di trattare qualsiasi volume di combustibile in emulsione.
Oltre a offrire elevata potenza ultrasonica, affidabilità e robustezza, i processori industriali a ultrasuoni di Hielscher Ultrasonics possono essere controllati e monitorati con precisione. I sensori di temperatura e pressione trasmettono i dati al generatore, dove tutti i parametri importanti del processo, come ampiezza, energia netta e totale, temperatura e pressione, vengono registrati su una scheda SD integrata. Il controllo software intelligente consente di definire e impostare parametri di processo precisi per ottenere un combustibile in emulsione standardizzato di qualità costantemente elevata. Il reattore a ultrasuoni a flusso dotato di camicia può essere raffreddato efficacemente e consente di trattare l’emulsione a temperature definite. La robustezza delle nostre apparecchiature a ultrasuoni consente il funzionamento 24/7 in condizioni di lavoro gravose e in ambienti impegnativi.
La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori: