Ultrasone Emulsies voor Water-in-Diesel Verbranding

Stroomgeneratoren, scheepsmotoren en spoorwegmotoren, die op diesel werken, kunnen efficiënter draaien als er water-in-diesel emulsies worden gebruikt. Water-dieselemulsiebrandstoffen verminderen het brandstofverbruik, verlagen de verbrandingstemperatuur, verbranden schoner en verminderen de uitstoot, zoals NOx en roet. Ultrasone emulsificatie is een betrouwbare, eenvoudige en efficiënte methode om water-in-dieselbrandstoffen van hoge kwaliteit te produceren.

Ultrasone Emulsificatie van Water-in-Diesel

Water-in-Diesel emulsies (WiDE; W/D-emulsiebrandstof) zijn een aangepast dieselbrandstofalternatief, dat tot 15% water bevat. Ook wel bekend als aqua-fuel, in water-diesel emulsies worden waterdruppels ultrasonisch geëmulgeerd in de continue dieselfase. Intense sonicatie van vloeistoffen genereert akoestische cavitatie. Cavitatieschuifkrachten verstoren de druppel en produceren een homogene emulsie van de anders onmengbare water- en dieselfasen.

Water-in-Diesel Emulsie

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

Tweefasige Emulsie

Een tweefasige emulsie beschrijft het mengsel van water in diesel zonder het gebruik van een oppervlakte-actieve stof. Voor een tweefasige WiDE worden de water- en dieselvoedingsstromen ultrasonisch geëmulgeerd vlak voor de motor. De ultrasone tweefasige water-in-diesel emulsie gaat rechtstreeks van de ultrasone stromingscelreactor naar de verbrandingsmotor. Zonder oppervlakte-actieve stof is de emulsie niet gemaakt voor opslag, maar voor directe verbranding.

Casestudy van Water-Diesel Emulsie Brandstof

De opstelling

Ithnin et al. (2018) bestudeerden het effect van water-in-diesel emulsiebrandstof (WiDE) op een enkele cilinder dieselmotor met directe injectie. Water en diesel werden opgeslagen in verschillende eenheden, van waaruit ze kwantitatief zijn overgebracht naar een mengsysteem. Het mengsysteem bestond uit een combinatie van een high shear mixer en een ultrasone homogenisator. De shear mixer zorgde voor een ruwe voormenging van water en diesel, terwijl de sonicatie werd gebruikt voor een fijnmazige, uniforme emulsie. De water-dieselemulsie werd bereid met 5% water. De homogene WiDE-brandstof werd direct vanuit het mengsysteem in de motor gebracht. De geprepareerde WiDE-brandstof bevatte geen oppervlakte-actieve stoffen en wordt daarom een langdurig onstabiele emulsiebrandstof (UW/D) genoemd. De dieselmotor werd getest onder vier verschillende belastingscondities (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 op dezelfde motor ook een oppervlakteactieve emulsiebrandstof (stabiele emulsie (SW/D)) en nette dieselbrandstof (D2) getest. 5% van het water wordt gebruikt voor zowel instabiele emulsie als stabiele emulsie.

De resultaten

De motortest toont aan dat water-dieselemulsiebrandstof zonder oppervlakte-actieve stof (UW/D) resulteert in een aanzienlijke verbetering van de motor met een toename van 3,59% in het thermisch rendement van de remmen (ATE) en een vermindering van 3,89% in het remspecifieke brandstofverbruik (BSFC) in vergelijking met nette dieselbrandstof. De emulsiebrandstoffen, zowel gestabiliseerd (SW/D) als onstabiel (UW/D), verhoogden het thermisch rendement van de motor door het micro-explosiefenomeen. Het micro-explosiefenomeen veroorzaakt een snelle verdamping van geëmulgeerde waterdruppels. Omdat de minuscule waterdruppeltjes omgeven zijn door olie, verstoort het intense verdampingsproces de druppeltjes met geweld tot zeer fijne deeltjes, wat de vermenging van lucht en brandstof bevordert. De druppelvormige verstoring en de vermenging met lucht verhoogt het verbrandingsrendement aanzienlijk.
De resultaten tonen aan dat het concept om de water-dieselemulsiebrandstof in real-time te produceren en over te brengen in de motor zonder gebruik te maken van oppervlakte-actieve stoffen, zeer goed werkt. De onmiddellijke overdracht van het ultrasoon geprepareerde water-dieselmengsel elimineert het stabilisatieprobleem voor opgeslagen emulsiebrandstof en de afhankelijkheid van oppervlakte-actieve stof. Onstabiele water-diesel emulsiebrandstof (UW/D) heeft zijn emulsievorm betrouwbaar in stand gehouden zonder binnen 25 seconden het bezinkingsstadium te bereiken (zie onderstaande afbeelding).

In vergelijking met nette dieselbrandstof heeft de water-in-diesel emulsiebrandstof een aanzienlijk lagere uitstoot van stikstofoxiden (NOx) en deeltjes (PM) met een gemiddelde vermindering van respectievelijk 31,66% en 16,33%.

Over het geheel genomen, ultrasonisch voorbereide emulsies – nat of instabiel of gestabiliseerd door oppervlakte-actieve stof – helpen om dieselbrandstof te besparen en de uitstoot van uitlaatgassen te verminderen.
Groenere uitlaatgassen en brandstofbesparing met Ultrasonics!

Ternaire Fase Emulsie

Een ternaire fase emulsie, ook wel drie-fase emulsie genoemd, bestaat uit water, olie en een oppervlakte-actieve stof. Tijdens de ultrasone emulsificatie van het water in de dieselfase wordt een oppervlakte-actieve stof toegevoegd. De emulgator verlengt de emulsiestabiliteit en maakt het mogelijk de water-in-dieselbrandstof op te slaan. De stabiliteit van de W/D-emulsie is afhankelijk van de emulgator, de ultrasone procesparameters en de temperatuur. Met de juiste combinatie van oppervlakte-actieve stof en sonische parameters kan een significante lange termijn stabiliteit van WiDE worden bereikt.

De installatie en retrofit van een ultrasoon emulsiesysteem is 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 fenomeen van de micro-explosie

Water-in-Diesel emulsiebrandstoffen bestaan uit zwevende waterdeeltjes in een continue dieselfase. Bij verbranding bereiken de fijnmazige waterdruppels in de emulsiebrandstof hun oververhitte stadium sneller dan de diesel en zorgen ze voor een dampexpansiebreuk (spontane explosie) tijdens de verbranding, waardoor er zeer fijne deeltjes ontstaan. Door de vergrote oppervlakte van de minuscule deeltjes in combinatie met inlaatlucht wordt de lucht- en brandstofmenging aanzienlijk verbeterd en daarmee de verbrandingsefficiëntie verhoogd. (Ivanov, Nevedov 1965)

Hoogwaardige ultrasone emulsiesystemen

Hielscher Ultrasonics levert hoogwaardige ultrasone processoren voor de continue productie van hoogwaardige (nano-)emulsies. Superieure ultrasone prestaties, robuustheid en een kleine footprint maken de Hielscher Ultrasonicators tot het ideale mengsysteem voor water-in-diesel emulsiebrandstoffen. Of u nu emulsiebrandstoffen wilt produceren voor de 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 binnenschepen tot het genereren van grote aquabrandstofvolumes voor energiecentrales en grote zeeschepen. – onze clusters van ultrasone processoren maken het mogelijk om elk volume van de emulsiebrandstof te verwerken.
Naast een hoog ultrasoon vermogen, betrouwbaarheid en robuustheid, is Hielscher Ultrasonics’ industriële ultrasone processoren kunnen nauwkeurig worden gecontroleerd en bewaakt. Temperatuur- en druksensoren sturen de gegevens naar de generator, waar alle belangrijke procesparameters zoals amplitude, netto en totale energie, temperatuur en druk worden geregistreerd op een ingebouwde SD-kaart. De intelligente softwarebesturing maakt het mogelijk om exacte procesparameters vast te stellen en in te stellen voor een gestandaardiseerde emulsiebrandstof van continue hoge kwaliteit. De omhulde ultrasone flowreactor kan efficiënt worden gekoeld en laat toe de emulsie bij bepaalde temperaturen te verwerken. De robuustheid van onze ultrasone apparatuur maakt het mogelijk om 24 uur per dag, 7 dagen per week en in veeleisende omgevingen te werken.
Onderstaande tabel geeft een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze ultrasonicators: