Emulsje ultradźwiękowe do spalania wody w oleju napędowym

Agregaty prądotwórcze, silniki okrętowe i kolejowe, które są zasilane olejem napędowym, mogą pracować wydajniej, gdy stosowane są emulsje typu woda w oleju napędowym. Paliwa emulsyjne woda-diesel zmniejszają zużycie paliwa, obniżają temperaturę spalania, spalają się czyściej i zmniejszają emisje, takie jak NOx i sadza. Emulsyfikacja ultradźwiękowa jest niezawodną, prostą i skuteczną metodą produkcji wysokiej jakości paliw typu woda w oleju napędowym.

Ultradźwiękowa emulgacja wody w oleju napędowym

Emulsje typu woda w oleju napędowym (WiDE; paliwo emulsyjne W/D) to zmodyfikowana alternatywa dla oleju napędowego, która zawiera do 15% wody. Znane również jako aqua-paliwo, w emulsjach woda-diesel, kropelki wody są ultradźwiękowo emulgowane do ciągłej fazy oleju napędowego. Intensywna sonikacja cieczy generuje kawitację akustyczną. Kawitacyjne siły ścinające rozbijają kropelki i wytwarzają jednorodną emulsję niemieszających się faz wody i oleju napędowego.

Emulsja typu woda w oleju napędowym

WiDE (emulsja W/D) jest definiowana jako mieszanina naturalnie niemieszających się cieczy kropelek wody (faza rozproszona/faza wewnętrzna) w oleju napędowym (faza ciągła/faza zewnętrzna). Środek emulgujący jest dodawany w niskich stężeniach w celu poprawy stabilności emulsji i obniżenia zapotrzebowania na energię mieszania.

emulsja dwufazowa

Emulsja dwufazowa opisuje mieszaninę wody z olejem napędowym bez użycia jakichkolwiek środków powierzchniowo czynnych. W przypadku dwufazowej emulsji WiDE woda i olej napędowy są emulgowane ultradźwiękowo bezpośrednio przed silnikiem. Ultradźwiękowa dwufazowa emulsja woda w oleju napędowym trafia bezpośrednio z ultradźwiękowego reaktora przepływowego do silnika spalinowego. Bez środka powierzchniowo czynnego emulsja nie jest przeznaczona do przechowywania, ale do bezpośredniego spalania.

Studium przypadku paliwa emulsyjnego woda-diesel

Konfiguracja

Ithnin et al. (2018) zbadali wpływ paliwa emulsyjnego typu woda w oleju napędowym (WiDE) na jednocylindrowy silnik wysokoprężny z wtryskiem bezpośrednim. Woda i olej napędowy były przechowywane w różnych jednostkach, z których zostały ilościowo przeniesione do układu mieszającego. System mieszania składał się z kombinacji mieszalnika szybkotnącego i homogenizatora ultradźwiękowego. Mieszalnik ścinający zapewniał surową wstępną mieszankę wody i oleju napędowego, podczas gdy sonikacja była używana do uzyskania drobnej, jednorodnej emulsji. Emulsja woda-diesel została przygotowana z 5% wody. Homogeniczne paliwo WiDE zostało bezpośrednio przeniesione z układu mieszającego do silnika. Przygotowane paliwo WiDE nie zawierało żadnych środków powierzchniowo czynnych, w związku z czym zostało określone jako długoterminowe niestabilne paliwo emulsyjne (UW/D). Silnik wysokoprężny był testowany w czterech różnych warunkach obciążenia (1 kW (25%), 2 kW (50%), 3 kW (74%), 4 kW (100%)) i przy stałej prędkości 3000 obr/min. W celu porównania efektów, takich jak wydajność paliwa i emisje, na tym samym silniku przetestowano również paliwo emulsyjne stabilizowane środkiem powierzchniowo czynnym (stabilna emulsja (SW/D)) i czysty olej napędowy (D2). Zarówno w przypadku niestabilnej, jak i stabilnej emulsji zastosowano 5% wody.

Wyniki

Test silnika wykazał, że paliwo emulsyjne woda-olej napędowy bez środka powierzchniowo czynnego (UW/D) powoduje znaczną poprawę silnika z 3,59% wzrostem sprawności cieplnej hamowania (BTE) i 3,89% zmniejszeniem zużycia paliwa podczas hamowania (BSFC) w porównaniu do czystego oleju napędowego. Paliwa emulsyjne, zarówno stabilizowane (SW/D), jak i niestabilizowane (UW/D), zwiększyły sprawność cieplną silnika dzięki zjawisku mikroeksplozji. Zjawisko mikroeksplozji powoduje szybkie odparowanie zemulgowanych kropelek wody. Ponieważ drobne kropelki wody są otoczone olejem, intensywny proces parowania gwałtownie rozbija kropelki na bardzo drobne cząstki, co sprzyja mieszaniu powietrza i paliwa. Rozbicie kropelek i mieszanie z powietrzem znacznie zwiększa wydajność spalania.
Wyniki pokazują, że koncepcja wytwarzania i przenoszenia paliwa emulsyjnego woda-diesel w czasie rzeczywistym do silnika bez użycia środka powierzchniowo czynnego działa bardzo dobrze. Natychmiastowy transfer ultradźwiękowo przygotowanej mieszanki wody i oleju napędowego eliminuje problem stabilizacji przechowywanego paliwa emulsyjnego, jak również zależność od środka powierzchniowo czynnego. Niestabilne paliwo emulsyjne woda-olej napędowy (UW/D) niezawodnie utrzymywało swoją formę emulsji bez osiągania etapu sedymentacji w ciągu 25 sekund (patrz zdjęcie poniżej).

Zachowanie kropli ultradźwiękowo emulgowanej emulsji woda-w-oleju napędowym w czasie a) 10 s, b) 25 s, c) 50 s i d) 132 s (powiększenie 1000×) – Ithnin et al. 2018

W porównaniu do czystego oleju napędowego, emulsja typu woda w oleju napędowym ma znacznie zmniejszoną emisję tlenków azotu (NOx) i cząstek stałych (PM), ze średnią redukcją odpowiednio o 31,66% i 16,33%.

Ogólnie rzecz biorąc, emulsje przygotowane ultradźwiękowo – niestabilny lub stabilizowany przez środek powierzchniowo czynny – pomagają oszczędzać olej napędowy i zmniejszają emisję spalin.
Bardziej ekologiczna emisja spalin i oszczędność paliwa dzięki ultradźwiękom!

Pierwotna i wtórna atomizacja w płomieniu natryskowym zemulgowanego paliwa.

Emulsja trójfazowa

Emulsja trójfazowa, znana również jako emulsja trójfazowa, składa się z wody, oleju i środka powierzchniowo czynnego. Podczas ultradźwiękowej emulgacji wody do fazy oleju napędowego dodawany jest środek powierzchniowo czynny. Środek emulgujący przedłuża stabilność emulsji i umożliwia przechowywanie paliwa typu woda w oleju napędowym. Stabilność emulsji W/D zależy od emulgatora, parametrów procesu ultradźwiękowego i temperatury. Dzięki odpowiedniej kombinacji środka powierzchniowo czynnego i parametrów sonikacji można osiągnąć znaczną długoterminową stabilność WiDE.

Instalacja i modernizacja ultradźwiękowego systemu emulgowania jest prosta, bezpieczna i niedroga. Paliwa emulsyjne W/D mogą być stosowane w połączeniu z dowolnymi konwencjonalnymi silnikami wysokoprężnymi (np. agregatami prądotwórczymi, silnikami kolejowymi, silnikami okrętowymi) bez modyfikacji.

Co sprawia, że paliwa WiDE są bardziej wydajne? – Zjawisko mikroeksplozji

Paliwa emulsyjne typu woda w oleju napędowym składają się z cząstek wody zawieszonych w ciągłej fazie oleju napędowego. Podczas spalania, drobne kropelki wody w paliwie emulsyjnym osiągają fazę przegrzania szybciej niż olej napędowy i powodują rozprężanie pary (spontaniczną eksplozję) podczas spalania, tworząc bardzo drobne cząstki. Ze względu na zwiększoną powierzchnię drobnych cząstek w połączeniu z zasysanym powietrzem, mieszanie powietrza i paliwa ulega znacznej poprawie, zwiększając tym samym wydajność spalania. (Ivanov, Nevedov 1965)

Wysokowydajne ultradźwiękowe systemy emulgujące

Hielscher Ultrasonics dostarcza wysokowydajne procesory ultradźwiękowe do ciągłej produkcji wysokiej jakości (nano-)emulsji. Doskonała wydajność ultradźwiękowa, solidność i niewielkie rozmiary sprawiają, że ultradźwięki firmy Hielscher są idealnym systemem mieszania paliw emulsyjnych typu woda w oleju napędowym. Niezależnie od tego, czy chcesz produkować paliwa emulsyjne do bezpośredniego wtrysku do silnika spalinowego, czy też stabilne paliwa emulsyjne do przechowywania i późniejszego spalania, Hielscher Ultrasonics ma najbardziej odpowiednią konfigurację dla Twojego zastosowania. Od mniejszych ultradźwiękowych systemów emulsyjnych do integracji w lokomotywach kolejowych i śródlądowych statkach morskich do wytwarzania dużych ilości paliwa wodnego dla elektrowni i ogromnych statków morskich. – Nasze klastry procesorów ultradźwiękowych umożliwiają przetwarzanie paliwa emulsyjnego o dowolnej objętości.
Oprócz wysokiej wydajności ultradźwiękowej, niezawodności i solidności, Hielscher Ultrasonics’ Przemysłowe procesory ultradźwiękowe mogą być precyzyjnie kontrolowane i monitorowane. Czujniki temperatury i ciśnienia przesyłają dane do generatora, gdzie wszystkie ważne parametry procesu, takie jak amplituda, energia netto i całkowita, temperatura i ciśnienie są rejestrowane na wbudowanej karcie SD. Inteligentne oprogramowanie sterujące pozwala na ustalenie i ustawienie dokładnych parametrów procesu dla znormalizowanego paliwa emulsyjnego o stałej jakości. Ultradźwiękowy reaktor przepływowy z płaszczem może być skutecznie chłodzony i umożliwia przetwarzanie emulsji w określonych temperaturach. Wytrzymałość naszego sprzętu ultradźwiękowego pozwala na pracę w trybie 24/7 przy dużych obciążeniach i w wymagających środowiskach.
Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców: