Ar ultraskaņu iegūtas ūdens emulsijas dīzeļdegvielā sadedzināšanai

Ar dīzeļdegvielu darbināmus elektroģeneratorus, kuģu dzinējus un dzelzceļa transportlīdzekļu dzinējus var darbināt efektīvāk, izmantojot ūdens emulsijas dīzeļdegvielā. Ūdens un dīzeļdegvielas emulsijas degvielas samazina degvielas patēriņu, pazemina degšanas temperatūru, sadeg tīrāk un samazina emisijas, piemēram, NOx un kvēpu emisijas. Emulģēšana ar ultraskaņu ir uzticama, vienkārša un iedarbīga metode augstas kvalitātes ūdens emulsijas dīzeļdegvielā iegūšanai.

Ūdens emulģēšana dīzeļdegvielā ar ultraskaņu

Ūdens emulsijas dīzeļdegvielā (WiDE; W/D emulsijas degviela) ir modificēta alternatīva dīzeļdegviela, kas satur līdz 15% ūdens. Ūdens un dīzeļdegvielas emulsijās, kas pazīstamas arī kā ūdens degviela, ūdens pilieni ar ultraskaņu tiek emulģēti nepārtrauktajā dīzeļdegvielas fāzē. Intensīva šķidrumu apstrāde ar ultraskaņu rada akustisko kavitāciju. Kavitācijas radītie bīdes spēki sašķeļ pilienus un izveido viendabīgu emulsiju no ūdens un dīzeļdegvielas fāzēm, kas citādi savstarpēji nesajaucas.

Ūdens emulsija dīzeļdegvielā

WiDE (W/D emulsija) ir definēta kā dabiski savstarpēji nesajaucamu šķidrumu maisījums, kurā ūdens pilieni (dispersā/iekšējā fāze) atrodas dīzeļdegvielā (nepārtrauktajā/ārējā fāzē). Emulgatoru pievieno nelielā koncentrācijā, lai uzlabotu emulsijas stabilitāti un samazinātu sajaukšanai nepieciešamo enerģiju.

Divfāžu emulsija

Divfāžu emulsija apzīmē ūdens maisījumu dīzeļdegvielā, neizmantojot nekādas virsmaktīvās vielas. Divfāžu WiDE iegūšanai ūdens un dīzeļdegvielas padeves plūsmas tiek emulģētas ar ultraskaņu tieši pirms dzinēja. Ar ultraskaņu iegūtā divfāžu ūdens emulsija dīzeļdegvielā no ultraskaņas plūsmas šūnas reaktora nonāk tieši iekšdedzes dzinējā. Bez virsmaktīvās vielas emulsija ir paredzēta tiešai sadedzināšanai, nevis uzglabāšanai.

Ūdens un dīzeļdegvielas emulsijas degvielas gadījuma izpēte

Eksperimentālā iekārta

Ithnin et al. (2018) pētīja ūdens emulsijas dīzeļdegvielā (WiDE) ietekmi uz viena cilindra dīzeļdzinēju ar tiešo iesmidzināšanu. Ūdens un dīzeļdegviela tika uzglabāti atsevišķās tvertnēs, no kurām tos dozētos daudzumos pārvadīja uz sajaukšanas sistēmu. Sajaukšanas sistēmu veidoja augstas bīdes maisītāja un ultraskaņas homogenizatora kombinācija. Bīdes maisītājs nodrošināja ūdens un dīzeļdegvielas rupju sākotnējo sajaukšanu, savukārt apstrādi ar ultraskaņu izmantoja, lai iegūtu viendabīgu emulsiju ar smalkiem pilieniem. Ūdens un dīzeļdegvielas emulsija tika sagatavota ar 5% ūdens. Viendabīgā WiDE degviela no sajaukšanas sistēmas tika padota tieši dzinējā. Sagatavotā WiDE degviela nesaturēja nekādas virsmaktīvās vielas, tādēļ tā tika dēvēta par ilgtermiņā nestabilu emulsijas degvielu (UW/D). Dīzeļdzinēju pārbaudīja četros dažādos slodzes režīmos (1 kW (25%), 2 kW (50%), 3 kW (74%), 4 kW (100%)) un ar nemainīgu griešanās ātrumu 3000 rpm. Lai salīdzinātu tādus rādītājus kā degvielas veiktspēja un emisijas, tajā pašā dzinējā pārbaudīja arī ar virsmaktīvo vielu stabilizētu emulsijas degvielu (stabila emulsija (SW/D)) un tīru dīzeļdegvielu (D2). Gan nestabilajā, gan stabilajā emulsijā izmanto 5% ūdens.

Rezultāti

Dzinēja tests liecina, ka ūdens un dīzeļdegvielas emulsijas degviela bez virsmaktīvās vielas (UW/D) būtiski uzlabo dzinēja darbību, palielinot efektīvo termisko lietderības koeficientu (BTE) par 3,59% un samazinot efektīvo īpatnējo degvielas patēriņu (BSFC) par 3,89% salīdzinājumā ar tīru dīzeļdegvielu. Gan stabilizētās (SW/D), gan nestabilizētās (UW/D) emulsijas degvielas palielināja dzinēja termisko lietderības koeficientu mikrosprādziena parādības dēļ. Mikrosprādziena parādība izraisa emulģēto ūdens pilienu strauju iztvaikošanu. Tā kā sīkos ūdens pilienus ieskauj eļļa, intensīvā iztvaikošana strauji sašķeļ pilienus ļoti smalkās daļiņās, veicinot gaisa un degvielas sajaukšanos. Pilienu sašķelšana un sajaukšanās ar gaisu būtiski palielina sadegšanas efektivitāti.
Rezultāti liecina, ka ūdens un dīzeļdegvielas emulsijas degvielas ražošana un padeve dzinējā reāllaikā, neizmantojot virsmaktīvo vielu, darbojas ļoti labi. Ar ultraskaņu sagatavotā ūdens un dīzeļdegvielas maisījuma tūlītēja padeve novērš gan uzglabājamas emulsijas degvielas stabilizēšanas problēmu, gan atkarību no virsmaktīvās vielas. Nestabilā ūdens un dīzeļdegvielas emulsijas degviela (UW/D) droši saglabāja emulsijas formu, 25sec laikā nesasniedzot sedimentācijas stadiju (skatīt attēlu zemāk).

Ar ultraskaņu emulģētas ūdens dīzeļdegvielā emulsijas degvielas pilienu uzvedība laika gaitā: a) 10 s, b) 25 s, c) 50 s un d) 132 s. (palielinājums 1000×) – Ithnin et al. 2018

Salīdzinājumā ar tīru dīzeļdegvielu ūdens dīzeļdegvielā emulsijas degvielai ir būtiski mazākas slāpekļa oksīdu (NOx) un cieto daļiņu (PM) emisijas izplūdes gāzēs, vidēji samazinoties attiecīgi par 31,66% un 16,33%.

Kopumā ar ultraskaņu sagatavotas emulsijas – gan nestabilas, gan ar virsmaktīvo vielu stabilizētas – palīdz ietaupīt dīzeļdegvielu un samazināt izplūdes gāzu emisijas.
Videi draudzīgākas izplūdes gāzu emisijas un degvielas ietaupījums ar ultraskaņu!

Primārā un sekundārā izsmidzināšana emulģētas degvielas izsmidzinājuma liesmā.

Trīsfāžu emulsija

Trīskomponentu fāžu emulsija, ko dēvē arī par trīsfāžu emulsiju, sastāv no ūdens, eļļas un virsmaktīvās vielas. Emulģējot ūdeni dīzeļdegvielas fāzē ar ultraskaņu, tiek pievienota virsmaktīvā viela. Emulgators paildzina emulsijas stabilitāti un ļauj uzglabāt ūdens dīzeļdegvielā degvielu. W/D emulsijas stabilitāte ir atkarīga no emulgatora, ultraskaņas procesa parametriem un temperatūras. Pareizi kombinējot virsmaktīvo vielu un apstrādes ar ultraskaņu parametrus, var panākt ievērojamu WiDE ilgtermiņa stabilitāti.

Ultraskaņas emulģēšanas sistēmas uzstādīšana un integrēšana esošā aprīkojumā ir vienkārša, droša un lēta. W/D emulsijas degvielas var izmantot ar jebkuriem parastajiem dīzeļdzinējiem (piemēram, elektroģeneratoru, lokomotīvju un kuģu dzinējiem) bez to pārveidošanas.

Kas padara WiDE degvielas efektīvākas? – Mikrosprādziena parādība

Ūdens dīzeļdegvielā emulsijas degvielas sastāv no nepārtrauktā dīzeļdegvielas fāzē suspendētām ūdens daļiņām. Degšanas laikā smalkie ūdens pilieni emulsijas degvielā sasniedz pārkarsētu stāvokli ātrāk nekā dīzeļdegviela un tvaika izplešanās rezultātā izraisa sašķelšanos (spontānu sprādzienu), radot ļoti smalkas daļiņas. Sīko daļiņu palielinātais virsmas laukums apvienojumā ar ieplūstošo gaisu būtiski uzlabo gaisa un degvielas sajaukšanos, tādējādi palielinot sadegšanas efektivitāti. (Ivanov, Nevedov 1965)

Augstas veiktspējas ultraskaņas emulģēšanas sistēmas

Hielscher Ultrasonics piegādā augstas veiktspējas ultraskaņas procesorus augstas kvalitātes (nano)emulsiju nepārtrauktai ražošanai. Izcila ultraskaņas veiktspēja, izturība un neliela aizņemtā platība padara Hielscher ultraskaņas iekārtas par ideālu maisīšanas sistēmu ūdens dīzeļdegvielā emulsijas degvielām. Neatkarīgi no tā, vai vēlaties ražot emulsijas degvielas tiešai iesmidzināšanai iekšdedzes dzinējā vai stabilas emulsijas degvielas uzglabāšanai un vēlākai sadedzināšanai, Hielscher Ultrasonics piedāvā jūsu lietojumam vispiemērotāko konfigurāciju. No mazākām ultraskaņas emulģēšanas sistēmām integrēšanai dzelzceļa lokomotīvēs un iekšējo ūdeņu kuģos līdz lielu ūdeni saturošas degvielas apjomu ražošanai elektrostacijām un milzīgiem jūras kuģiem – mūsu ultraskaņas procesoru grupas ļauj apstrādāt jebkāda apjoma emulsijas degvielu.
Papildus lielai ultraskaņas izejas jaudai, uzticamībai un izturībai Hielscher Ultrasonics rūpnieciskos ultraskaņas procesorus var precīzi vadīt un uzraudzīt. Temperatūras un spiediena sensori pārraida datus uz ģeneratoru, kur visi svarīgie procesa parametri, piemēram, amplitūda, neto un kopējā enerģija, temperatūra un spiediens, tiek reģistrēti iebūvētā SD kartē. Viedā programmatūras vadība ļauj noteikt un iestatīt precīzus procesa parametrus standartizētas emulsijas degvielas iegūšanai ar nemainīgi augstu kvalitāti. Ultraskaņas plūsmas reaktoru ar dzesēšanas apvalku var efektīvi dzesēt, un tas ļauj apstrādāt emulsiju noteiktā temperatūrā. Mūsu ultraskaņas iekārtu izturība nodrošina darbību 24/7 ar lielu slodzi un prasīgos vides apstākļos.
Tālāk esošajā tabulā ir norādīta mūsu ultraskaņas iekārtu aptuvenā apstrādes jauda: