Emulsões ultra-sónicas para a combustão de água-em-diesel

Os geradores de energia, os motores de navios e os motores ferroviários, que são alimentados a gasóleo, podem funcionar de forma mais eficiente quando são utilizadas emulsões de água no gasóleo. Os combustíveis de emulsão água-gasóleo reduzem o consumo de combustível, baixam a temperatura de combustão, queimam de forma mais limpa e reduzem as emissões, como o NOx e a fuligem. A emulsificação por ultra-sons é um método fiável, simples e eficaz para produzir combustíveis de alta qualidade à base de água no gasóleo.

Emulsificação ultra-sónica de água-em-diesel

As emulsões de água no gasóleo (WiDE; combustível de emulsão W/D) são uma alternativa modificada ao gasóleo, que contém até 15% de água. Também conhecido como aqua-fuel, nas emulsões água-diesel, as gotículas de água são emulsionadas por ultra-sons na fase contínua do gasóleo. A intensa sonicação de líquidos gera cavitação acústica. As forças de cisalhamento cavitacionais rompem as gotículas e produzem uma emulsão homogénea das fases imiscíveis de água e gasóleo.

Emulsão de água no gasóleo

A WiDE (emulsão W/D) é definida como uma mistura de líquidos naturalmente imiscíveis de gotículas de água (fase dispersa/interna) em gasóleo (fase contínua/externa). É adicionado um agente emulsionante em baixas concentrações para melhorar a estabilidade das emulsões e reduzir a necessidade de energia de mistura.

Emulsão bifásica

Uma emulsão bifásica descreve a mistura de água em gasóleo sem a utilização de qualquer surfactante. Para um WiDE bifásico, os fluxos de alimentação de água e de gasóleo são emulsionados por ultra-sons mesmo à frente do motor. A emulsão ultra-sónica bifásica água-em-diesel vai diretamente do reator ultrassónico 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) estudaram o efeito do combustível de emulsão água-em-diesel (WiDE) num motor diesel de injeção direta de um cilindro. 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 misturador de alto cisalhamento e homogeneizador ultrassónico. O misturador de cisalhamento forneceu uma pré-mistura bruta de água e gasóleo, enquanto a ultra-sons foi utilizada para obter uma emulsão fina e uniforme. A emulsão água-diesel 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 tensioactivos, sendo por isso designado como combustível de emulsão instável a longo prazo (UW/D). O motor diesel foi testado em quatro condições de carga diferentes (1 kW (25%), 2 kW (50%), 3 kW (74%), 4 kW (100%)) e com uma velocidade constante de 3000 rpm. A fim de comparar os efeitos, tais como o desempenho do combustível e as emissões, foram também testados no mesmo motor um combustível de emulsão estabilizada com tensioativo (emulsão estável (SW/D)) e um combustível diesel puro (D2). Para a emulsão instável e para a emulsão estável, foi utilizado 5% de água.

Os resultados

O teste do motor mostra que o combustível de emulsão água-gasóleo sem tensioativo (UW/D) resulta numa melhoria significativa do motor com um aumento de 3,59% na eficiência térmica do travão (BTE) e uma redução de 3,89% no consumo específico de combustível do travão (BSFC) em comparação com o combustível diesel puro. Os combustíveis de emulsão, tanto estabilizados (SW/D) como não estabilizados (UW/D), aumentaram a eficiência térmica do motor devido ao fenómeno de micro-explosão. O fenómeno de microexplosão provoca uma rápida evaporação das gotículas de água emulsionadas. Uma vez que as minúsculas gotículas de água estão rodeadas de óleo, o intenso processo de evaporação rompe violentamente as gotículas em partículas muito finas, o que promove a mistura de ar e combustível. A rutura das gotículas e a mistura com o ar aumentam significativamente a eficiência da combustão.
Os resultados mostram que o conceito de produzir e transferir o combustível de emulsão água-gasóleo em tempo real para o motor sem utilizar surfactante funciona muito bem. A transferência imediata da mistura de água e gasóleo preparada por ultra-sons elimina o problema de estabilização do combustível de emulsão armazenado, bem como a dependência do surfactante. O combustível de emulsão água-gasóleo instável (UW/D) manteve de forma fiável a sua forma de emulsão sem atingir a fase de sedimentação em 25 segundos (ver imagem abaixo).

Comportamento das gotículas de combustível de emulsão água-em-diesel emulsionada por ultra-sons ao longo do tempo a) 10 s, b) 25 s, c) 50 s e d) 132 s. (ampliação 1000×) – Ithnin et al. 2018

Quando comparado com o gasóleo puro, o combustível de emulsão água-em-diesel reduz significativamente as emissões de escape de óxidos de azoto (NOx) e de partículas (PM), com uma redução média de 31,66% e 16,33%, respetivamente.

Em geral, as emulsões preparadas por ultra-sons – quer seja instável ou estabilizado por um tensioativo – ajudam a poupar gasóleo e a reduzir as emissões de gases de escape.
Emissões de gases de escape mais ecológicas e poupança de combustível com ultra-sons!

Atomização primária e secundária em chama de pulverização de combustível emulsionado.

Emulsão de fase ternária

Uma emulsão de fase ternária, também conhecida como emulsão trifásica, é constituída por água, óleo e um tensioativo. Durante a emulsificação ultra-sónica da água na fase diesel, é adicionado um agente tensioativo. O agente emulsionante prolonga a estabilidade da emulsão e permite armazenar o combustível água-em-diesel. A estabilidade da emulsão W/D depende do emulsionante, dos parâmetros do processo ultrassónico e da temperatura. Com a combinação certa de tensioativo e parâmetros de ultra-sons, é possível obter uma estabilidade significativa a longo prazo do WiDE.

A instalação e a readaptação de um sistema de emulsificação ultra-sónica são simples, seguras e pouco dispendiosas. Os combustíveis de emulsão W/D podem ser utilizados 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 Fenómeno da Micro-Explosão

Os combustíveis de emulsão Water-in-Diesel consistem em partículas de água suspensas numa fase contínua de gasóleo. Quando em combustão, as gotículas de água de tamanho fino no combustível de emulsão atingem o seu estado sobreaquecido mais rapidamente do que o gasóleo e criam uma rutura 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 admissão, a mistura de ar e combustível é significativamente melhorada, aumentando assim a eficiência da combustão. (Ivanov, Nevedov 1965)

Sistemas de Emulsificação Ultrassónica de Alto Desempenho

Hielscher Ultrasonics fornece processadores de ultra-sons de alto desempenho para a produção contínua de alta qualidade (nano-) emulsões. Desempenho ultra-sônico superior, robustez e uma pequena pegada fazer Hielscher Ultrasonicators o sistema de mistura ideal para combustíveis de emulsão de água-em-diesel. Se você quiser produzir combustíveis de emulsão para a injeção direta em um motor de combustão ou combustíveis de emulsão estável para armazenamento e posterior combustão, Hielscher Ultrasonics tem a configuração mais adequada para a sua aplicação. Desde sistemas de emulsão ultra-sónicos mais pequenos para a integração em locomotivas ferroviárias e embarcações marítimas interiores até à geração de grandes volumes de combustível aquático para centrais eléctricas e enormes embarcações marítimas – os nossos grupos de processadores ultra-sónicos permitem o processamento de combustível em emulsão de qualquer volume.
Para além do elevado rendimento ultrassónico, da fiabilidade e da robustez, a Hielscher Ultrasonics’ Os processadores ultra-sónicos industriais podem ser controlados e monitorizados com precisão. Os sensores de temperatura e pressão transmitem os dados para o gerador, onde todos os parâmetros importantes do processo, tais como amplitude, energia líquida e total, temperatura e pressão, são registados num cartão SD integrado. O controlo inteligente do software permite estabelecer e definir parâmetros de processo exactos para um combustível de emulsão padronizado de alta qualidade contínua. O reator de fluxo ultrassónico encamisado pode ser eficientemente arrefecido e permite processar a emulsão a temperaturas especificadas. A robustez do nosso equipamento ultrassónico permite um funcionamento 24/7 em serviço pesado e em ambientes exigentes.
O quadro seguinte dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos ultra-sons: