Emulsões ultrassónicas para a combustão de água em gasóleo

Os geradores de energia, os motores de navios e os motores ferroviários alimentados a gasóleo podem funcionar de forma mais eficiente quando se utilizam emulsões de água em gasóleo. Os combustíveis em emulsão de água e gasóleo reduzem o consumo de combustível, baixam a temperatura de combustão, têm uma combustão mais limpa e reduzem as emissões, como NOx e fuligem. A emulsificação ultrassónica é um método fiável, simples e eficaz para produzir combustíveis de água em gasóleo de elevada qualidade.

Emulsificação ultrassónica de água em gasóleo

As emulsões de água em gasóleo (WiDE; combustível em emulsão W/D) são uma alternativa de combustível de gasóleo modificado que contém até 15% de água. Também conhecidas como aquacombustíveis, as emulsões de água e gasóleo são obtidas por emulsificação ultrassónica de gotículas de água na fase contínua de gasóleo. A sonicação intensa de líquidos gera cavitação acústica. As forças de cisalhamento cavitacional fragmentam as gotículas e produzem uma emulsão homogénea das fases de água e gasóleo, que de outro modo são imiscíveis.

Emulsão de água em gasóleo

A WiDE (emulsão W/D) é definida como uma mistura dos líquidos naturalmente imiscíveis, com gotículas de água (fase dispersa/interna) em gasóleo (fase contínua/externa). Adiciona-se um agente emulsionante em baixas concentrações para melhorar a estabilidade da emulsão e reduzir a energia necessária para a mistura.

Emulsão de duas fases

Uma emulsão de duas fases descreve a mistura de água em gasóleo sem a utilização de qualquer tensioativo. Para uma WiDE de duas fases, as correntes de alimentação de água e gasóleo são emulsificadas por ultrassons imediatamente a montante do motor. A emulsão ultrassónica de água em gasóleo de duas fases passa diretamente do reator ultrassónico de célula de fluxo para o motor de combustão. Sem tensioativo, a emulsão não é produzida para armazenamento, mas para combustão direta.

Estudo de caso de combustível em emulsão de água e gasóleo

A configuração

Ithnin et al. (2018) estudaram o efeito do combustível em emulsão de água em gasóleo (WiDE) num motor a gasóleo monocilíndrico de injeção direta. A água e o gasóleo foram armazenados em unidades diferentes, a partir das quais foram transferidos quantitativamente para um sistema de mistura. O sistema de mistura consistia numa combinação de um misturador de elevado cisalhamento e um homogeneizador ultrassónico. O misturador de cisalhamento fornecia uma pré-mistura grosseira de água e gasóleo, enquanto a sonicação era utilizada para obter uma emulsão uniforme de gotículas finas. A emulsão de água e gasóleo foi preparada com 5% de água. O combustível WiDE homogéneo foi transferido diretamente do sistema de mistura para o motor. O combustível WiDE preparado não continha quaisquer tensioativos, sendo, por isso, designado como combustível em emulsão instável a longo prazo (UW/D). O motor a gasóleo foi testado em quatro condições de carga diferentes (1 kW (25%), 2 kW (50%), 3 kW (74%), 4 kW (100%)) e a uma velocidade constante de 3000 rpm. Para comparar efeitos como o desempenho do combustível e as emissões, também foram testados no mesmo motor um combustível em emulsão estabilizada por tensioativo (emulsão estável (SW/D)) e gasóleo puro (D2). Utiliza-se 5% de água tanto na emulsão instável como na emulsão estável.

Os resultados

O ensaio do motor mostra que o combustível em emulsão de água e gasóleo sem tensioativo (UW/D) resulta numa melhoria significativa do motor, com um aumento de 3,59% no rendimento térmico efetivo (BTE) e uma redução de 3,89% no consumo específico efetivo de combustível (BSFC), em comparação com o gasóleo puro. Os combustíveis em emulsão, tanto estabilizada (SW/D) como não estabilizada (UW/D), aumentaram o rendimento térmico do motor devido ao fenómeno de microexplosão. O fenómeno de microexplosão provoca uma evaporação rápida das gotículas de água emulsificadas. Como as minúsculas gotículas de água estão envolvidas em óleo, o intenso processo de evaporação fragmenta violentamente as gotículas em partículas muito finas, o que promove a mistura de ar e combustível. A fragmentação das gotículas e a mistura com o ar aumentam significativamente a eficiência da combustão.
Os resultados mostram que o conceito de produzir e transferir em tempo real o combustível em emulsão de água e gasóleo para o motor, sem utilizar tensioativo, funciona muito bem. A transferência imediata da mistura de água e gasóleo preparada por ultrassons elimina o problema de estabilização do combustível em emulsão armazenado, bem como a dependência de tensioativo. O combustível em emulsão instável de água e gasóleo (UW/D) manteve de forma fiável a sua forma de emulsão sem atingir a fase de sedimentação no período de 25sec (ver imagem abaixo).

Comportamento das gotículas do combustível em emulsão de água em gasóleo emulsificado por ultrassons ao longo do tempo: a) 10 s, b) 25 s, c) 50 s e d) 132 s. (ampliação 1000×) – Ithnin et al. 2018

Em comparação com o gasóleo puro, o combustível em emulsão de água em gasóleo apresenta emissões de escape de óxidos de azoto (NOx) e de partículas (PM) significativamente reduzidas, com uma redução média de 31,66% e 16,33%, respetivamente.

De um modo geral, as emulsões preparadas por ultrassons – quer sejam instáveis ou estabilizadas por tensioativo – ajudam a poupar gasóleo e a reduzir as emissões de escape.
Emissões de escape mais ecológicas e poupança de combustível com ultrassons!

Atomização primária e secundária na chama de pulverização de combustível emulsificado.

Emulsão de fase ternária

Uma emulsão de fase ternária, também conhecida como emulsão de três fases, é constituída por água, óleo e um tensioativo. Durante a emulsificação ultrassónica da água na fase de gasóleo, adiciona-se um tensioativo. O agente emulsionante prolonga a estabilidade da emulsão e permite armazenar o combustível de água em gasóleo. A estabilidade da emulsão W/D depende do emulsionante, dos parâmetros do processo ultrassónico e da temperatura. Com a combinação adequada de tensioativo e parâmetros de sonicação, pode alcançar-se uma estabilidade significativa a longo prazo da WiDE.

A instalação e a adaptação de um sistema de emulsificação ultrassónica são simples, seguras e económicas. Os combustíveis em emulsão W/D podem ser utilizados com quaisquer motores a gasóleo convencionais (por exemplo, geradores de energia, motores ferroviários, motores de navios) sem modificações.

O que torna os combustíveis WiDE mais eficientes? – O fenómeno de microexplosão

Os combustíveis em emulsão de água em gasóleo são constituídos por partículas de água em suspensão numa fase contínua de gasóleo. Durante a combustão, as gotículas finas de água no combustível em emulsão atingem o seu estado de sobreaquecimento mais depressa do que o gasóleo e provocam uma fragmentação por expansão de vapor (explosão espontânea) durante a combustão, criando partículas muito finas. Devido ao aumento da área superficial das minúsculas partículas em combinação com o ar de admissão, a mistura de ar e combustível melhora significativamente, aumentando assim a eficiência da combustão. (Ivanov, Nevedov 1965)

Sistemas de emulsificação ultrassónica de elevado desempenho

A Hielscher Ultrasonics fornece processadores ultrassónicos de elevado desempenho para a produção contínua de (nano)emulsões de elevada qualidade. O desempenho ultrassónico superior, a robustez e o reduzido espaço ocupado tornam os sonicadores Hielscher o sistema de mistura ideal para combustíveis em emulsão de água em gasóleo. Quer pretenda produzir combustíveis em emulsão para injeção direta num motor de combustão ou combustíveis em emulsão estáveis para armazenamento e combustão posterior, a Hielscher Ultrasonics tem a configuração mais adequada para a sua aplicação. Desde sistemas de emulsificação ultrassónica mais pequenos para integração em locomotivas ferroviárias e embarcações de navegação interior até à produção de grandes volumes de aquacombustível para centrais elétricas e enormes embarcações marítimas – os nossos conjuntos de processadores ultrassónicos permitem o processamento de combustível em emulsão em qualquer volume.
Além da elevada potência ultrassónica, da fiabilidade e da robustez, os processadores ultrassónicos industriais da Hielscher Ultrasonics podem ser controlados e monitorizados com precisão. Os sensores de temperatura e pressão transmitem os dados ao gerador, onde todos os parâmetros importantes do processo, como a amplitude, a energia líquida e total, a temperatura e a pressão, são registados num cartão SD integrado. O controlo inteligente por software permite estabelecer e definir parâmetros de processo exatos para obter um combustível em emulsão normalizado de qualidade continuamente elevada. O reator ultrassónico de fluxo com camisa pode ser arrefecido de forma eficiente e permite processar a emulsão a temperaturas especificadas. A robustez do nosso equipamento ultrassónico permite o funcionamento 24/7 em serviço intensivo e em ambientes exigentes.
A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade aproximada de processamento dos nossos sonicadores: