디젤 내 수적형 연료의 연소를 위한 초음파 에멀션

디젤을 연료로 사용하는 발전기, 선박 엔진 및 철도 엔진은 디젤 내 수적형 에멀션을 사용하면 더 효율적으로 운전할 수 있습니다. 물–디젤 에멀션 연료는 연료 소비를 줄이고, 연소 온도를 낮추며, 더 깨끗하게 연소하고, NOx 및 그을음과 같은 배출물을 줄입니다. 초음파 유화는 고품질 디젤 내 수적형 연료를 생산하는 신뢰할 수 있고 간단하며 효과적인 방법입니다.

디젤 내 수적형 에멀션의 초음파 유화

디젤 내 수적형 에멀션(WiDE; W/D 에멀션 연료)은 물을 최대 15% 함유하는 개질 디젤 대체 연료입니다. 아쿠아 연료라고도 하는 물–디젤 에멀션에서는 물방울이 초음파에 의해 디젤 연속상 내에 유화됩니다. 액체에 강력한 초음파 처리를 가하면 음향 캐비테이션이 발생합니다. 캐비테이션에 의한 전단력은 액적을 파쇄하여, 원래 서로 섞이지 않는 물과 디젤 상으로 균질한 에멀션을 형성합니다.

디젤 내 수적형 에멀션

WiDE(W/D 에멀션)는 본래 서로 섞이지 않는 액체인 물과 디젤의 혼합물로, 디젤(연속상/외상) 내에 물방울(분산상/내상)이 분산된 것으로 정의됩니다. 에멀션의 안정성을 높이고 혼합에 필요한 에너지를 줄이기 위해 유화제를 낮은 농도로 첨가합니다.

두 상 에멀션

두 상 에멀션은 계면활성제를 전혀 사용하지 않고 디젤 내에 물을 혼합한 것을 말합니다. 두 상 WiDE를 만들 때는 물과 디젤의 공급 흐름을 엔진 바로 앞에서 초음파로 유화합니다. 초음파로 제조한 두 상 디젤 내 수적형 에멀션은 초음파 플로우 셀 반응기에서 연소 엔진으로 직접 유입됩니다. 계면활성제가 없는 이 에멀션은 저장용이 아니라 직접 연소용으로 제조됩니다.

물–디젤 에멀션 연료의 사례 연구

실험 구성

Ithnin 등(2018)은 디젤 내 수적형 에멀션 연료(WiDE)가 단기통 직접 분사식 디젤 엔진에 미치는 영향을 연구했습니다. 물과 디젤은 별도의 저장 장치에 보관한 후 혼합 시스템으로 정량 이송했습니다. 혼합 시스템은 고전단 혼합기와 초음파 균질기를 조합하여 구성했습니다. 전단 혼합기로 물과 디젤을 대략적으로 예비 혼합한 후, 초음파 처리를 통해 미세하고 균일한 에멀션을 만들었습니다. 물–디젤 에멀션은 물 함량 5%로 제조했습니다. 균질한 WiDE 연료는 혼합 시스템에서 엔진으로 직접 이송했습니다. 제조된 WiDE 연료에는 계면활성제가 전혀 포함되지 않았으므로 장기적으로 불안정한 에멀션 연료(UW/D)라고 명명했습니다. 디젤 엔진은 네 가지 부하 조건(1 kW (25%), 2 kW (50%), 3 kW (74%), 4 kW (100%))에서 3000 rpm의 일정한 회전 속도로 시험했습니다. 연료 성능 및 배출물 등의 영향을 비교하기 위해 계면활성제로 안정화한 에멀션 연료(안정한 에멀션(SW/D))와 순수 디젤 연료(D2)도 동일한 엔진에서 시험했습니다. 불안정한 에멀션과 안정한 에멀션 모두 물 함량은 5%입니다.

결과

엔진 시험 결과, 계면활성제가 없는 물–디젤 에멀션 연료(UW/D)는 순수 디젤 연료와 비교하여 제동 열효율(BTE)이 3.59% 증가하고 제동 비연료소비율(BSFC)이 3.89% 감소하는 등 엔진 성능을 크게 개선하는 것으로 나타났습니다. 안정화된 에멀션 연료(SW/D)와 안정화되지 않은 에멀션 연료(UW/D) 모두 미세 폭발 현상으로 인해 엔진의 열효율을 높였습니다. 미세 폭발 현상은 유화된 물방울을 빠르게 증발시킵니다. 미세한 물방울은 기름으로 둘러싸여 있으므로 격렬한 증발 과정에서 액적이 매우 미세한 입자로 격렬하게 분열되며, 이는 공기와 연료의 혼합을 촉진합니다. 액적의 분열과 공기와의 혼합은 연소 효율을 크게 높입니다.
이 결과는 계면활성제를 사용하지 않고 물–디젤 에멀션 연료를 실시간으로 생산하여 엔진에 공급하는 방식이 매우 효과적임을 보여줍니다. 초음파로 제조한 물–디젤 혼합물을 즉시 공급하면 저장용 에멀션 연료의 안정화 문제와 계면활성제에 대한 의존성을 해소할 수 있습니다. 불안정한 물–디젤 에멀션 연료(UW/D)는 25sec 동안 침강 단계에 이르지 않고 에멀션 형태를 확실하게 유지했습니다(아래 그림 참조).

초음파로 유화한 디젤 내 수분 에멀션 연료의 시간에 따른 액적 거동: a) 10 s, b) 25 s, c) 50 s 및 d) 132 s. (배율 1000×) – Ithnin 외 2018

순수 디젤 연료와 비교하면, 디젤 내 수분 에멀션 연료는 배기가스의 질소산화물(NOx)과 입자상 물질(PM) 배출량이 각각 평균 31.66%와 16.33% 감소하여 현저히 낮은 배출량을 보입니다.

전반적으로 초음파로 제조한 에멀션은 불안정한 상태이든 계면활성제로 안정화된 상태이든 디젤 연료를 절약하고 배기가스 배출량을 줄이는 데 도움이 됩니다.
초음파로 배기가스를 더 친환경적으로 줄이고 연료를 절약하세요!

에멀션 연료의 분무 화염에서 발생하는 일차 및 이차 미립화.

삼상 에멀션

삼상 에멀션은 물, 기름 및 계면활성제로 구성됩니다. 물을 디젤 상에 초음파로 유화하는 동안 계면활성제를 첨가합니다. 유화제는 에멀션의 안정성 유지 기간을 늘려 디젤 내 수분 연료를 저장할 수 있게 합니다. W/D 에멀션의 안정성은 유화제, 초음파 공정 매개변수 및 온도에 따라 달라집니다. 계면활성제와 초음파 처리 매개변수를 적절하게 조합하면 WiDE의 상당한 장기 안정성을 확보할 수 있습니다.

초음파 유화 시스템의 설치 및 기존 설비에 대한 추가 장착은 간단하고 안전하며 비용이 저렴합니다. W/D 에멀션 연료는 기존의 모든 디젤 엔진(예: 발전기, 철도 엔진, 선박 엔진)에서 개조 없이 사용할 수 있습니다.

WiDE 연료의 효율을 높이는 요인은 무엇일까요? – 미세 폭발 현상

디젤 내 수분 에멀션 연료는 연속상인 디젤에 부유하는 물 입자로 구성됩니다. 연소 시 에멀션 연료의 미세한 물방울은 디젤보다 빠르게 과열 상태에 도달하며, 연소 과정에서 증기 팽창에 의한 분열(자발적 폭발)을 일으켜 매우 미세한 입자를 생성합니다. 미세 입자의 표면적 증가와 흡입 공기의 결합으로 공기와 연료의 혼합이 크게 개선되어 연소 효율이 높아집니다. (Ivanov, Nevedov 1965)

고성능 초음파 유화 시스템

Hielscher Ultrasonics는 고품질 (나노)에멀션의 연속 생산을 위한 고성능 초음파 프로세서를 공급합니다. 탁월한 초음파 성능, 견고성, 작은 설치 면적을 갖춘 Hielscher 초음파 처리기는 디젤 내 물 에멀션 연료에 이상적인 혼합 시스템입니다. 내연기관에 직접 분사할 에멀션 연료를 생산하든, 저장 후 나중에 연소할 안정적인 에멀션 연료를 생산하든, Hielscher Ultrasonics는 해당 용도에 가장 적합한 구성을 제공합니다. 철도 기관차와 내륙 수로 선박에 통합하기 위한 소형 초음파 에멀션 시스템부터 발전소와 대형 선박을 위한 대량의 아쿠아 연료 생산에 이르기까지, 당사의 초음파 프로세서 클러스터는 어떤 용량의 에멀션 연료도 처리할 수 있습니다.
Hielscher Ultrasonics의 산업용 초음파 프로세서는 높은 초음파 출력, 신뢰성, 견고성을 갖추었을 뿐 아니라 정밀한 제어와 모니터링도 가능합니다. 온도 및 압력 센서는 데이터를 발생기로 전송하며, 발생기에서는 진폭, 순에너지 및 총에너지, 온도, 압력 등 모든 주요 공정 매개변수가 내장 SD 카드에 기록됩니다. 지능형 소프트웨어 제어를 통해 정확한 공정 매개변수를 수립하고 설정하여 일관되게 높은 품질의 표준화된 에멀션 연료를 생산할 수 있습니다. 재킷이 장착된 초음파 유동 반응기는 효율적으로 냉각할 수 있으며, 지정된 온도에서 에멀션을 처리할 수 있습니다. 당사 초음파 장비의 견고성은 고부하 조건과 까다로운 환경에서 24/7 운전을 가능하게 합니다.
아래 표는 당사 초음파 처리기의 대략적인 처리 용량을 보여 줍니다.