Ultrasone emulsies voor de verbranding van water-in-diesel

Stroomgeneratoren, scheepsmotoren en spoorwegmotoren die op diesel draaien, kunnen efficiënter werken wanneer water-in-dieselemulsies worden gebruikt. Water-dieselemulsiebrandstoffen verminderen het brandstofverbruik, verlagen de verbrandingstemperatuur, verbranden schoner en verminderen emissies zoals NOx en roet. Ultrasone emulgering is een betrouwbare, eenvoudige en doeltreffende methode om hoogwaardige water-in-dieselbrandstoffen 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. Bij water-dieselemulsies, ook bekend als aquabrandstof, worden waterdruppels ultrasoon geëmulgeerd in de continue dieselfase. Intense sonicatie van vloeistoffen genereert akoestische cavitatie. Door cavitatie opgewekte afschuifkrachten breken druppels op en produceren een homogene emulsie van de anders niet-mengbare water- en dieselfasen.

Water-in-dieselemulsie

WiDE (W/D-emulsie) wordt gedefinieerd als een mengsel van de van nature niet-mengbare vloeistoffen, met waterdruppels (gedispergeerde/interne fase) in diesel (continue/externe fase). Een emulgator wordt in lage concentraties toegevoegd om de stabiliteit van de emulsie te verbeteren en de energiebehoefte voor het mengen te verlagen.

Tweefasenemulsie

Een tweefasenemulsie beschrijft het mengsel van water in diesel zonder gebruik van enige oppervlakteactieve stof. Voor een tweefasen-WiDE worden de toevoerstromen van water en diesel direct vóór de motor ultrasoon geëmulgeerd. De ultrasone tweefasenemulsie van water in diesel gaat rechtstreeks vanuit de ultrasone doorstroomcelreactor naar de verbrandingsmotor. Zonder oppervlakteactieve stof is de emulsie niet bedoeld voor opslag, maar voor directe verbranding.

Casestudy van water-dieselemulsiebrandstof

De opstelling

Ithnin et al. (2018) onderzochten het effect van water-in-dieselemulsiebrandstof (WiDE) op een eencilinderdieselmotor met directe injectie. Water en diesel werden in afzonderlijke eenheden opgeslagen, van waaruit ze kwantitatief naar een mengsysteem werden overgebracht. Het mengsysteem bestond uit een combinatie van een menger met hoge afschuiving en een ultrasone homogenisator. De menger met hoge afschuiving leverde een grof voormengsel van water en diesel, terwijl sonicatie werd gebruikt om een uniforme emulsie met fijne druppels te verkrijgen. De water-dieselemulsie werd bereid met 5% water. De homogene WiDE-brandstof werd rechtstreeks van het mengsysteem naar de motor overgebracht. De bereide WiDE-brandstof bevatte geen oppervlakteactieve stoffen en werd daarom aangeduid als een op lange termijn instabiele emulsiebrandstof (UW/D). De dieselmotor werd getest onder vier verschillende belastingsomstandigheden (1 kW (25%), 2 kW (50%), 3 kW (74%), 4 kW (100%)) en bij een constant toerental van 3000 rpm. Om effecten zoals brandstofprestaties en emissies te vergelijken, werden ook een met een oppervlakteactieve stof gestabiliseerde emulsiebrandstof (stabiele emulsie (SW/D)) en zuivere dieselbrandstof (D2) op dezelfde motor getest. Voor zowel de instabiele als de stabiele emulsie wordt 5% water gebruikt.

De resultaten

De motortest toont aan dat water-dieselemulsiebrandstof zonder oppervlakteactieve stof (UW/D) tot een aanzienlijke verbetering van de motor leidt, met een stijging van het thermisch rendement op basis van het remvermogen (BTE) met 3,59% en een daling van het specifieke brandstofverbruik op basis van het remvermogen (BSFC) met 3,89% ten opzichte van zuivere dieselbrandstof. De emulsiebrandstoffen, zowel gestabiliseerd (SW/D) als ongestabiliseerd (UW/D), verhoogden het thermisch rendement van de motor door het micro-explosieverschijnsel. Het micro-explosieverschijnsel veroorzaakt een snelle verdamping van geëmulgeerde waterdruppels. Omdat de zeer kleine waterdruppels door olie worden omgeven, breekt het intense verdampingsproces de druppels met kracht op in zeer fijne deeltjes, wat de menging van lucht en brandstof bevordert. Het opbreken van de druppels en de menging met lucht verhogen het verbrandingsrendement aanzienlijk.
De resultaten tonen aan dat het concept van het in realtime produceren en naar de motor overbrengen van water-dieselemulsiebrandstof zonder gebruik van een oppervlakteactieve stof zeer goed werkt. De onmiddellijke overdracht van het ultrasoon bereide water-dieselmengsel elimineert zowel het stabilisatieprobleem bij opgeslagen emulsiebrandstof als de afhankelijkheid van een oppervlakteactieve stof. Instabiele water-dieselemulsiebrandstof (UW/D) behield betrouwbaar zijn emulsievorm zonder binnen 25sec het sedimentatiestadium te bereiken (zie onderstaande afbeelding).

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

Vergeleken met zuivere dieselbrandstof heeft water-in-dieselemulsiebrandstof een aanzienlijk lagere uitstoot van stikstofoxiden (NOx) en fijnstof (PM), met een gemiddelde vermindering van respectievelijk 31,66% en 16,33%.

Over het geheel genomen helpen ultrasoon bereide emulsies – of ze nu instabiel zijn of met een oppervlakteactieve stof zijn gestabiliseerd – om dieselbrandstof te besparen en uitlaatemissies te verminderen.
Milieuvriendelijkere uitlaatemissies en brandstofbesparing met ultrasoontechnologie!

Primaire en secundaire verneveling in de sproeivlam van geëmulgeerde brandstof.

Driefasenemulsie

Een ternaire emulsie, ook bekend als driefasenemulsie, bestaat uit water, olie en een oppervlakteactieve stof. Tijdens de ultrasone emulgering van het water in de dieselfase wordt een oppervlakteactieve stof toegevoegd. De emulgator verlengt de stabiliteit van de emulsie en maakt opslag van de water-in-dieselbrandstof mogelijk. 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 stabiliteit van WiDE op lange termijn worden bereikt.

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

Wat maakt WiDE-brandstoffen efficiënter? – Het micro-explosieverschijnsel

Water-in-dieselemulsiebrandstoffen bestaan uit gesuspendeerde waterdeeltjes in een continue dieselfase. Tijdens de verbranding bereiken de fijne waterdruppels in de emulsiebrandstof hun oververhitte toestand sneller dan de diesel en veroorzaken ze een opbreking door dampexpansie (spontane explosie), waarbij zeer fijne deeltjes ontstaan. Door het grotere oppervlak van de zeer kleine deeltjes in combinatie met de inlaatlucht wordt de menging van lucht en brandstof aanzienlijk verbeterd, waardoor het verbrandingsrendement toeneemt. (Ivanov, Nevedov 1965)

Ultrasone emulgeersystemen met hoge prestaties

Hielscher Ultrasonics levert ultrasone processoren met hoge prestaties voor de continue productie van hoogwaardige (nano-)emulsies. Superieure ultrasone prestaties, robuustheid en een geringe benodigde vloeroppervlakte maken de sonicatoren van Hielscher tot het ideale mengsysteem voor water-in-dieselemulsiebrandstoffen. 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 integratie in spoorweglocomotieven en binnenvaartschepen tot de productie van grote volumes aquabrandstof voor elektriciteitscentrales en enorme zeeschepen – onze clusters van ultrasone processoren maken de verwerking van elk volume emulsiebrandstof mogelijk.
Naast een hoog ultrasoon vermogen, betrouwbaarheid en robuustheid bieden de industriële ultrasone processoren van Hielscher Ultrasonics nauwkeurige besturing en bewaking. Temperatuur- en druksensoren sturen de gegevens naar de generator, waar alle belangrijke procesparameters, zoals amplitude, netto- en totale energie, temperatuur en druk, op een ingebouwde SD-kaart worden vastgelegd. Met de intelligente softwarebesturing kunnen exacte procesparameters worden vastgesteld en ingesteld voor een gestandaardiseerde emulsiebrandstof van continu hoge kwaliteit. De ultrasone doorstroomreactor met mantel kan efficiënt worden gekoeld en maakt het mogelijk om de emulsie bij gespecificeerde temperaturen te verwerken. De robuustheid van onze ultrasone apparatuur maakt 24/7-bedrijf onder zware belasting en in veeleisende omgevingen mogelijk.
De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de verwerkingscapaciteit bij benadering van onze sonicatoren: