Emulsje ultradźwiękowe do spalania wody w oleju napędowym

Generatory prądu, silniki okrętowe i silniki kolejowe zasilane olejem napędowym mogą pracować wydajniej przy zastosowaniu emulsji wody w oleju napędowym. Paliwa emulsyjne typu woda–olej napędowy zmniejszają zużycie paliwa, obniżają temperaturę spalania, spalają się czyściej i ograniczają emisje, na przykład NOx i sadzy. Emulgowanie ultradźwiękowe jest niezawodną, prostą i skuteczną metodą wytwarzania wysokiej jakości paliw typu woda w oleju napędowym.

Ultradźwiękowe emulgowanie wody w oleju napędowym

Emulsje wody w oleju napędowym (WiDE; paliwo emulsyjne W/D) stanowią zmodyfikowaną alternatywę dla oleju napędowego, zawierającą do 15% wody. W emulsjach typu woda–olej napędowy, znanych również jako aqua-fuel, krople wody są emulgowane ultradźwiękowo w ciągłej fazie oleju napędowego. Intensywna sonikacja cieczy wytwarza kawitację akustyczną. Kawitacyjne siły ścinające rozbijają krople i wytwarzają jednorodną emulsję z faz wody i oleju napędowego, które w innych warunkach są niemieszalne.

Emulsja wody w oleju napędowym

WiDE (emulsję W/D) definiuje się jako mieszaninę naturalnie niemieszalnych cieczy, w której krople wody (faza rozproszona/wewnętrzna) znajdują się w oleju napędowym (faza ciągła/zewnętrzna). Środek emulgujący dodaje się w małych stężeniach, aby poprawić stabilność emulsji i zmniejszyć zapotrzebowanie na energię do mieszania.

Emulsja dwufazowa

Emulsja dwufazowa oznacza mieszaninę wody w oleju napędowym bez zastosowania jakiegokolwiek środka powierzchniowo czynnego. W przypadku dwufazowej emulsji WiDE strumienie doprowadzanej wody i oleju napędowego są emulgowane ultradźwiękowo bezpośrednio przed silnikiem. Wytworzona ultradźwiękowo dwufazowa emulsja wody w oleju napędowym trafia bezpośrednio z ultradźwiękowego reaktora z komorą przepływową do silnika spalinowego. Bez środka powierzchniowo czynnego emulsja jest przeznaczona do bezpośredniego spalania, a nie do przechowywania.

Studium przypadku paliwa emulsyjnego typu woda–olej napędowy

Układ badawczy

Ithnin i in. (2018) badali wpływ paliwa emulsyjnego typu woda w oleju napędowym (WiDE) na jednocylindrowy silnik wysokoprężny z bezpośrednim wtryskiem. Wodę i olej napędowy przechowywano w oddzielnych zbiornikach, z których przenoszono je ilościowo do układu mieszającego. Układ mieszający stanowił połączenie mieszalnika o wysokiej intensywności ścinania i homogenizatora ultradźwiękowego. Mieszalnik ścinający zapewniał zgrubne wstępne wymieszanie wody i oleju napędowego, natomiast sonikację stosowano do uzyskania jednorodnej emulsji o drobnych kroplach. Emulsję typu woda–olej napędowy przygotowano z zawartością 5% wody. Jednorodne paliwo WiDE przenoszono bezpośrednio z układu mieszającego do silnika. Przygotowane paliwo WiDE nie zawierało żadnych środków powierzchniowo czynnych, dlatego określono je jako paliwo emulsyjne niestabilne w długim okresie (UW/D). Silnik wysokoprężny badano w czterech różnych warunkach obciążenia (1 kW (25%), 2 kW (50%), 3 kW (74%), 4 kW (100%)) przy stałej prędkości obrotowej 3000 rpm. Aby porównać efekty, takie jak parametry pracy z danym paliwem i emisje, w tym samym silniku przetestowano również paliwo emulsyjne stabilizowane środkiem powierzchniowo czynnym (stabilna emulsja (SW/D)) oraz czysty olej napędowy (D2). Zarówno w emulsji niestabilnej, jak i stabilnej stosuje się 5% wody.

Wyniki

Badanie silnika wykazuje, że paliwo emulsyjne typu woda–olej napędowy bez środka powierzchniowo czynnego (UW/D) zapewnia znaczną poprawę parametrów silnika: wzrost efektywnej sprawności cieplnej (BTE) o 3,59% i zmniejszenie jednostkowego zużycia paliwa odniesionego do mocy efektywnej (BSFC) o 3,89% w porównaniu z czystym olejem napędowym. Paliwa emulsyjne, zarówno stabilizowane (SW/D), jak i niestabilizowane (UW/D), zwiększały sprawność cieplną silnika dzięki zjawisku mikroeksplozji. Zjawisko mikroeksplozji powoduje gwałtowne odparowanie zemulgowanych kropli wody. Ponieważ maleńkie krople wody są otoczone olejem, intensywny proces parowania gwałtownie rozbija krople na bardzo drobne cząstki, co sprzyja mieszaniu powietrza i paliwa. Rozbijanie kropli i mieszanie z powietrzem znacznie zwiększają efektywność spalania.
Wyniki pokazują, że koncepcja wytwarzania paliwa emulsyjnego typu woda–olej napędowy i przekazywania go w czasie rzeczywistym do silnika bez użycia środka powierzchniowo czynnego sprawdza się bardzo dobrze. Natychmiastowe przekazywanie przygotowanej ultradźwiękowo mieszaniny wody i oleju napędowego eliminuje problem stabilizacji przechowywanego paliwa emulsyjnego oraz zależność od środka powierzchniowo czynnego. Niestabilne paliwo emulsyjne typu woda–olej napędowy (UW/D) niezawodnie zachowywało postać emulsji bez przechodzenia do etapu sedymentacji przez 25sec (patrz ilustracja poniżej).

Zachowanie kropli w ultradźwiękowo zemulgowanym paliwie emulsyjnym typu woda w oleju napędowym w czasie: a) 10 s, b) 25 s, c) 50 s i d) 132 s. (powiększenie 1000×) – Ithnin i in. 2018

W porównaniu z czystym olejem napędowym paliwo emulsyjne typu woda w oleju napędowym charakteryzuje się znacznie mniejszą emisją tlenków azotu (NOx) i cząstek stałych (PM) w spalinach, ze średnią redukcją odpowiednio o 31,66% i 16,33%.

Ogólnie rzecz biorąc, emulsje przygotowane ultradźwiękowo – zarówno niestabilne, jak i stabilizowane środkiem powierzchniowo czynnym – pomagają oszczędzać olej napędowy i ograniczać emisje spalin.
Bardziej ekologiczne emisje spalin i oszczędność paliwa dzięki ultradźwiękom!

Pierwotne i wtórne rozpylanie w płomieniu rozpylonego paliwa emulsyjnego.

Emulsja trójfazowa

Emulsja trójfazowa składa się z wody, oleju i środka powierzchniowo czynnego. Podczas ultradźwiękowego emulgowania wody w fazie oleju napędowego dodaje się 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 odpowiedniemu połączeniu środka powierzchniowo czynnego i parametrów sonikacji można uzyskać znaczną długoterminową stabilność WiDE.

Instalacja ultradźwiękowego układu emulgującego oraz doposażenie istniejących instalacji w taki układ są proste, bezpieczne i niedrogie. Paliwa emulsyjne W/D można stosować z dowolnymi konwencjonalnymi silnikami wysokoprężnymi (np. w generatorach prądu, silnikach kolejowych i silnikach okrętowych) bez modyfikacji.

Co zwiększa efektywność paliw WiDE? – Zjawisko mikroeksplozji

Paliwa emulsyjne typu woda w oleju napędowym składają się z cząstek wody zawieszonych w ciągłej fazie oleju napędowego. Podczas spalania drobne krople wody w paliwie emulsyjnym osiągają stan przegrzania szybciej niż olej napędowy i ulegają rozpadowi wskutek rozprężania pary (spontanicznej eksplozji), tworząc bardzo drobne cząstki. Dzięki zwiększonej powierzchni maleńkich cząstek w kontakcie z zasysanym powietrzem mieszanie powietrza i paliwa znacznie się poprawia, co zwiększa efektywność spalania. (Ivanov, Nevedov 1965)

Wysokowydajne ultradźwiękowe układy emulgujące

Hielscher Ultrasonics dostarcza wysokowydajne procesory ultradźwiękowe do ciągłej produkcji wysokiej jakości (nano-)emulsji. Doskonała wydajność ultradźwiękowa, wytrzymałość i niewielka zajmowana przestrzeń sprawiają, że sonikatory Hielscher stanowią idealny układ mieszający do paliw emulsyjnych typu woda w oleju napędowym. Niezależnie od tego, czy chcesz wytwarzać paliwa emulsyjne do bezpośredniego wtrysku do silnika spalinowego, czy stabilne paliwa emulsyjne do przechowywania i późniejszego spalania, Hielscher Ultrasonics oferuje układ najlepiej dopasowany do Twojego zastosowania. Od mniejszych ultradźwiękowych układów emulgujących do integracji z lokomotywami kolejowymi i jednostkami żeglugi śródlądowej po wytwarzanie dużych objętości paliwa aqua-fuel dla elektrowni i ogromnych statków morskich – nasze zespoły procesorów ultradźwiękowych umożliwiają przetwarzanie paliwa emulsyjnego w dowolnej objętości.
Oprócz dużej mocy ultradźwiękowej, niezawodności i wytrzymałości przemysłowe procesory ultradźwiękowe Hielscher Ultrasonics zapewniają możliwość precyzyjnego sterowania i monitorowania. Czujniki temperatury i ciśnienia przekazują dane do generatora, gdzie wszystkie istotne parametry procesu, takie jak amplituda, energia netto i całkowita, temperatura oraz ciśnienie, są rejestrowane na wbudowanej karcie SD. Inteligentne sterowanie programowe umożliwia określenie i ustawienie dokładnych parametrów procesu w celu uzyskania standaryzowanego paliwa emulsyjnego o stale wysokiej jakości. Ultradźwiękowy reaktor przepływowy z płaszczem można skutecznie chłodzić, co umożliwia przetwarzanie emulsji w określonych temperaturach. Wytrzymałość naszych urządzeń ultradźwiękowych umożliwia pracę 24/7 przy dużych obciążeniach i w wymagających środowiskach.
Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów: