Emulsões ultrassônicas para combustão água-no-diesel

Emulsificação Ultrasônica de Água no Diesel

Emulsões água-no-diesel (WiDE; O combustível de emulsão W/D é uma alternativa modificada do diesel, que contém até 15% da água. Também conhecidos como aquacombustível, em emulsãos diesel-água, gotículas de água são ultrassonicamente emulsificadas na fase contínua do diesel. Sonagem intensa de líquidos gera cavitação acústica. As forças de cisalhamento cavitational interrompem gotículas e produzem uma emulsão homogênea das fases de água e diesel imiscíveis.

Emulsão água-no-diesel

O WiDE (emulsão W/D) é definido como mistura dos líquidos naturalmente imiscíveis das gotículas de água (fase dispersa/interna) no diesel (fase contínua/externa). Um agente emulsificante é adicionado em baixas concentrações, a fim de melhorar a estabilidade das emulsões e diminuir a exigência de energia de mistura.

Emulsão de duas fases

Uma emulsão de duas fases descreve a mistura de água no diesel sem o uso de qualquer surfactante. Para um WiDE de duas fases, os fluxos de alimentação de água e diesel são ultrassonicamente emulsionados logo à frente do motor. A emulsão ultrasônica de água no diesel de duas fases vai diretamente do reator ultrassônico de célula de fluxo para o motor de combustão. Sem surfactante, a emulsão não é feita para armazenamento, mas para combustão direta.

Estudo de caso do combustível de emulsão água-diesel

A Configuração

Ithnin et al. (2018) studied the effect of water-in-diesel emulsion fuel (WiDE) on a single cylinder, direct injection diesel engine. Water and diesel were stored in different units, from which they have been quantitatively transferred into a mixing system. The mixing system consisted in a combination of high shear mixer and ultrasonic homogenizer. The shear mixer provided a crude pre-mix of water and diesel, whilst the sonication was used for a fine-sized, uniform emulsion. The water-diesel emulsion was prepared with 5% water. The homogeneous WiDE fuel was directly transferred from the mixing system into the into the engine. The prepared WiDE fuel did not contain any surfactants, therefore being termed as a long-term unstable emulsion fuel (UW/D). The diesel engine was tested under four different load conditions (1 kW (25%), 2 kW (50%), 3 kW (74%), 4 kW (100%)) and with a constant speed of 3000 rpm. In order to compare the effects such as fuel performance and emissions, a surfactant-stabilized emulsion fuel (stable emulsion (SW/D)) and neat diesel fuel (D2) were also tested on the same engine. 5% of water is used for both unstable emulsion and stable emulsion.

Os Resultados

O teste do motor mostra que o combustível de emulsão diesel-água sem surfactante (UW/D) resulta em melhora significativa do motor com um aumento de 3,59% na eficiência térmica do freio (BTE) e redução de 3,89% no consumo específico de combustível (BSFC) em comparação com o puro diesel. Os combustíveis de emulsão, estabilizados (SW/D) e não estabilizados (UW/D), aumentaram a eficiência térmica do motor devido ao fenômeno da microexplosão. O fenômeno da microexplosão causa uma rápida evaporação de gotículas de água emulsificadas. Desde o minuto em que as gotículas de água estão cercadas de óleo, o intenso processo de evaporação interrompe violentamente as gotículas em partículas muito finas, o que promove a mistura de ar e combustível. A interrupção da gota e a mistura com o ar aumenta significativamente a eficiência da combustão.
Os resultados mostram que o conceito de produzir e transferir o combustível de emulsão diesel-água em tempo real para o motor sem usar surfactant funciona muito bem. A transferência imediata da mistura ultrassonicamente preparada água-diesel elimina o problema de estabilização do combustível de emulsão armazenado, bem como a dependência do surfactante. O combustível instável de emulsão diesel-diesel (UW/D) manteve de forma confiável sua forma de emulsão sem chegar ao estágio de sedimentação dentro de 25seg (veja imagem abaixo).

Droplet behaviour of ultrasonically emulsified ater-in-diesel emulsion fuel over time a) 10 s, b) 25 s, c) 50 s and d) 132 s. (magnification 1000×) – Ithnin et al. 2018

Quando comparado ao puro diesel, o combustível de emulsão água no diesel tem uma emissão significativamente reduzida de óxidos de nitrogênio (NOx) e material particulado (PM) com uma redução média de 31,66% e 16,33%, respectivamente.

No geral, emulsãos ultrassonicamente preparadas – wether instável ou estabilizado por surfactant – ajudar a economizar diesel, e reduzir as emissões de escape.
Emissão de exaustão mais verde e economia de combustível com ultrassônicos!

Atomização primária e secundária em chamas pulverizadas de combustível emulsificado.

Emulsão da Fase Ternary

Uma emulsão em fase ternary, também conhecida como emulsão trifáspica, consiste em água, óleo e um surfactante. Durante a emulsificação ultrassônica da água para a fase diesel um surfactante é adicionado. O agente emulsificante prolonga a estabilidade da emulsão e permite armazenar o combustível água-diesel. A estabilidade da emulsão W/D depende do emulsificador, dos parâmetros de processo ultrassônico e da temperatura. Com a combinação certa de parâmetros surfactantes e sonsônicos, uma estabilidade significativa a longo prazo do WiDE pode ser alcançada.

A instalação e adaptação retrô de um sistema de emulsificação ultrassônica é simples, segura e barata. Os combustíveis de emulsão w/D podem ser usados em combinação com quaisquer motores diesel convencionais (por exemplo, geradores de energia, motores ferroviários, motores de navios) sem modificação.

O que torna os combustíveis WiDE mais eficientes? – O Fenômeno da Microexplosão

Os combustíveis de emulsão água-no-diesel consistem em partículas de água suspensas em uma fase contínua de diesel. Quando combustão, as gotículas de água de tamanho fino no combustível de emulsão atingem seu estágio superaquecido mais rápido que o diesel e criam um rompimento de expansão de vapor (explosão espontânea) durante a combustão, criando partículas muito finas. Devido ao aumento da área de superfície das partículas minúsculas combinadas com o ar de entrada, a mistura de ar e combustível é significativamente melhorada e aumenta assim a eficiência da combustão. (Ivanov, Nevedov 1965)

Sistemas de Emulsificação Ultrassônica de alto desempenho

A Hielscher Ultrasonics fornece processadores ultrassônicos de alto desempenho para a produção contínua de emulsões de alta qualidade (nano-). Desempenho ultrassônico superior, robustez e uma pequena pegada fazem do Hielscher Ultrasonicators o sistema ideal de mistura para combustíveis de emulsão água no diesel. Quanto mais tarde você deseja produzir combustíveis de emulsão para a injeção direta em um motor de combustão ou combustíveis de emulsão estável para armazenamento e combustão posterior, a Hielscher Ultrasonics tem a configuração mais adequada para sua aplicação. Desde sistemas de emulsão ultrassônica menores para a integração em locomotivas ferroviárias e embarcações marinhas interiores até a geração de grandes volumes de combustível aqua para usinas e enormes navios marinhos – nossos clusters de processadores ultrassônicos permitem o processamento de combustível de emulsão de qualquer volume.
Além da alta produção ultrassônica, confiabilidade e robustez, hielscher Ultrasonics’ processadores ultrassônicos industriais podem ser controlados e monitorados com precisão. Sensores de temperatura e pressão transmitem os dados para o gerador, onde todos os parâmetros importantes do processo, como amplitude, energia líquida e total, temperatura e pressão são registrados em um cartão SD embutido. O controle inteligente de software permite estabelecer e definir parâmetros exatos do processo para um combustível de emulsão padronizado de contínua alta qualidade. O reator de fluxo ultrassônico revestido pode ser eficientemente resfriado e permitir processar a emulsão a temperaturas especificadas. A robustez de nossos equipamentos ultrassônicos permite a operação 24 horas por dia, 7 dias por semana, em ambientes pesados e em ambientes exigentes.
A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximado de nossos ultrasonicators: