Ultrasone emulsies voor water-dieselverbranding

Stroomgeneratoren, scheepsmotoren en spoorwegmotoren die op diesel werken, kunnen efficiënter werken wanneer water-dieselemulsies worden gebruikt. Brandstoffen op basis van water-dieselemulsies verlagen het brandstofverbruik, verlagen de verbrandingstemperatuur, verbranden schoner en verminderen emissies zoals NOx en roet. Ultrasone emulsificatie is een betrouwbare, eenvoudige en efficiënte methode om water-in- dieselbrandstoffen van hoge kwaliteit te produceren.

Ultrasone emulgering van water in diesel

Water-in-dieselemulsies (WiDE; W/D-emulsiebrandstof) zijn een gemodificeerd alternatief voor dieselbrandstof dat tot 15% water bevat. In water-dieselemulsies, ook bekend als aqua-fuel, worden waterdruppels ultrasoon geëmulgeerd in de continue dieselfase. Intense sonisatie van vloeistoffen genereert akoestische cavitatie. De schuifkrachten van de cavitatie verstoren de druppel en produceren een homogene emulsie van de anders onmengbare water- en dieselfasen.

Emulsie van water in diesel

WiDE (W/D-emulsie) wordt gedefinieerd als een mengsel van de van nature onmengbare vloeistoffen waterdruppels (gedispergeerde/interne fase) in diesel (continue/externe fase). Een emulgeermiddel wordt in lage concentraties toegevoegd om de stabiliteit van de emulsie te verbeteren en de benodigde mengenergie te verlagen.

emulsie in twee fasen

Een tweefasenemulsie beschrijft het mengsel van water en diesel zonder het gebruik van oppervlakteactieve stoffen. Bij een tweefasige WiDE worden de water- en dieseltoevoer direct voor de motor ultrasoon geëmulgeerd. De ultrasone tweefasen water-dieselemulsie gaat rechtstreeks van de ultrasone flowcellreactor naar de verbrandingsmotor. Zonder oppervlakteactieve stof wordt de emulsie niet gemaakt voor opslag, maar voor directe verbranding.

Casestudy van water-dieselemulsiebrandstof

De opstelling

Ithnin et al. (2018) bestudeerden het effect van water-in-dieselemulsiebrandstof (WiDE) op een dieselmotor met één cilinder en directe inspuiting. Water en diesel werden opgeslagen in verschillende eenheden, van waaruit ze kwantitatief werden overgebracht in een mengsysteem. Het mengsysteem bestond uit een combinatie van een high shear mixer en een ultrasone homogenisator. De shear mixer zorgde voor een ruw voormengsel van water en diesel, terwijl de sonicatie werd gebruikt voor een fijne, uniforme emulsie. De water-dieselemulsie werd bereid met 5% water. De homogene WiDE-brandstof werd rechtstreeks vanuit het mengsysteem in de motor overgebracht. De bereide WiDE-brandstof bevatte geen oppervlakteactieve stoffen en werd daarom een langdurig instabiele emulsiebrandstof (UW/D) genoemd. De dieselmotor werd getest onder vier verschillende belastingsomstandigheden (1 kW (25%), 2 kW (50%), 3 kW (74%), 4 kW (100%)) en met een constant toerental van 3000 rpm. Om de effecten zoals brandstofprestaties en emissies te vergelijken, werden een met oppervlakteactieve stoffen gestabiliseerde emulsiebrandstof (stabiele emulsie (SW/D)) en zuivere dieselbrandstof (D2) ook getest op dezelfde motor. Voor zowel de onstabiele emulsie als de stabiele emulsie is 5% water gebruikt.

De resultaten

De motortest toont aan dat water-dieselemulsiebrandstof zonder oppervlakteactieve stof (UW/D) resulteert in een significante verbetering van de motor met een toename van 3,59% in remthermisch rendement (BTE) en een afname van 3,89% in remspecifiek brandstofverbruik (BSFC) in vergelijking met gewone dieselbrandstof. De emulsiebrandstoffen, zowel gestabiliseerd (SW/D) als ongestabiliseerd (UW/D), verhoogden de thermische efficiëntie van de motor door het micro-explosiefenomeen. Het micro-explosiefenomeen veroorzaakt een snelle verdamping van geëmulgeerde waterdruppeltjes. Aangezien de minuscule waterdruppeltjes omgeven zijn door olie, worden de druppeltjes door het intense verdampingsproces heftig verstoord tot zeer fijne deeltjes, wat de vermenging van lucht en brandstof bevordert. De verstoring van de druppels en de vermenging met lucht verhoogt de verbrandingsefficiëntie aanzienlijk.
De resultaten tonen aan dat het concept om de water-dieselemulsiebrandstof in real-time te produceren en over te brengen naar de motor zonder gebruik te maken van oppervlakteactieve stoffen, zeer goed werkt. De onmiddellijke overbrenging van het ultrasoon bereide water-dieselmengsel elimineert het stabilisatieprobleem voor opgeslagen emulsiebrandstof en de afhankelijkheid van oppervlakteactieve stoffen. Onstabiele water-dieselemulsiebrandstof (UW/D) behield binnen 25 seconden betrouwbaar zijn emulsievorm zonder het bezinkstadium te bereiken (zie onderstaande afbeelding).

Druppelgedrag van ultrasoon geëmulgeerde ater-in-dieselemulsie brandstof in de tijd a) 10 s, b) 25 s, c) 50 s en d) 132 s. (vergroting 1000×) – Ithnin et al. 2018

In vergelijking met gewone dieselbrandstof heeft de water-in- dieselemulsie brandstof een aanzienlijk lagere uitlaatemissie van stikstofoxiden (NOx) en deeltjes (PM) met een gemiddelde vermindering van respectievelijk 31,66% en 16,33%.

Over het algemeen zijn ultrasoon bereide emulsies – instabiel of gestabiliseerd door oppervlakteactieve stof – helpen dieselbrandstof te besparen en uitlaatemissies te verminderen.
Groenere uitlaatemissies en brandstofbesparing met ultrasoontechnologie!

Primaire en secundaire verstuiving in sproeivlam van geëmulgeerde brandstof.

Ternaire fase emulsie

Een ternaire fase-emulsie, ook bekend als driefasenemulsie, bestaat uit water, olie en een oppervlakteactieve stof. Tijdens de ultrasone emulsie van het water in de dieselfase wordt een oppervlakteactieve stof toegevoegd. Het emulgeermiddel verlengt de stabiliteit van de emulsie en maakt het mogelijk om de water-in- dieselbrandstof op te slaan. De stabiliteit van de W/D-emulsie hangt af van de emulgator, de ultrasone procesparameters en de temperatuur. Met de juiste combinatie van oppervlakteactieve stof en sonicatieparameters kan een aanzienlijke langetermijnstabiliteit van WiDE worden bereikt.

De installatie en installatie achteraf van een ultrasoon emulgatiesysteem is eenvoudig, veilig en goedkoop. W/D-emulsiebrandstoffen kunnen zonder aanpassingen worden gebruikt in combinatie met conventionele dieselmotoren (bijv. stroomgeneratoren, spoorwegmotoren, scheepsmotoren).

Wat maakt WiDE brandstoffen efficiënter? – Het fenomeen micro-explosie

Water-in-dieselemulsiebrandstoffen bestaan uit gesuspendeerde waterdeeltjes in een continue dieselfase. Bij verbranding bereiken de fijne waterdruppeltjes in de emulsiebrandstof hun oververhitte stadium sneller dan de diesel en veroorzaken een damp-expansie (spontane explosie) tijdens de verbranding, waardoor zeer fijne deeltjes ontstaan. Door het grotere oppervlak van de minuscule deeltjes in combinatie met de inlaatlucht wordt de menging van lucht en brandstof aanzienlijk verbeterd, waardoor het verbrandingsrendement toeneemt. (Ivanov, Nevedov 1965)

Ultrasone emulgatiesystemen met hoge prestaties

Hielscher Ultrasonics levert hoogwaardige ultrasone processoren voor de continue productie van hoogwaardige (nano-)emulsies. Superieure ultrasone prestaties, robuustheid en een kleine voetafdruk maken de Hielscher ultrasoonprocessoren tot het ideale mengsysteem voor water-diesel emulsiebrandstoffen. Of u nu emulsiebrandstoffen wilt produceren voor directe injectie in een verbrandingsmotor of stabiele emulsiebrandstoffen voor opslag en latere verbranding, Hielscher Ultrasonics heeft de meest geschikte opstelling voor uw toepassing. Van kleinere ultrasone emulsiesystemen voor de integratie in spoorweglocomotieven en binnenvaartschepen tot het genereren van grote hoeveelheden aqua-brandstof voor energiecentrales en grote zeeschepen. – Met onze clusters van ultrasone processors kan elk volume emulsiebrandstof worden verwerkt.
Naast een hoge ultrasone output, betrouwbaarheid en robuustheid heeft Hielscher Ultrasonics’ industriële ultrasone processoren nauwkeurig worden geregeld en bewaakt. Temperatuur- en druksensoren verzenden de gegevens naar de generator, waar alle belangrijke procesparameters zoals amplitude, netto en totale energie, temperatuur en druk worden opgeslagen op een ingebouwde SD-kaart. De intelligente softwarebesturing maakt het mogelijk om exacte procesparameters in te stellen voor een gestandaardiseerde emulsiebrandstof van continue hoge kwaliteit. De ommantelde ultrasone flowreactor kan efficiënt worden gekoeld en maakt het mogelijk om de emulsie bij bepaalde temperaturen te verwerken. De robuustheid van onze ultrasone apparatuur maakt een 24/7 werking mogelijk bij zware belasting en in veeleisende omgevingen.
De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines: