Emulsões ultrassônicas para combustão de água em diesel

Geradores de energia, motores de navios e motores ferroviários, que são alimentados com diesel, podem funcionar com mais eficiência quando são usadas emulsões de água em diesel. Os combustíveis de emulsão água-diesel reduzem o consumo de combustível, diminuem a temperatura de combustão, queimam de forma mais limpa e reduzem as emissões, como NOx e fuligem. A emulsificação ultrassônica é um método confiável, simples e eficaz para produzir água em diesel de alta qualidade.

Emulsificação ultrassônica de água em diesel

Emulsões de água em diesel (WiDE; Combustível de emulsão W/D) são uma alternativa modificada ao combustível diesel, que contém até 15% de água. Também conhecido como aqua-combustível, em emulsões água-diesel, as gotículas de água são emulsionadas por ultrassom na fase diesel contínua. A sonicação intensa de líquidos gera cavitação acústica. As forças de cisalhamento cavitacionais interrompem a gotícula e produzem uma emulsão homogênea das fases aquosa e diesel de outra forma imiscíveis.

Emulsão de água em diesel

WiDE (emulsão W/D) é definida como a mistura de líquidos naturalmente imiscíveis de gotículas de água (fase dispersa/interna) em diesel (fase contínua/externa). Um agente emulsificante é adicionado em baixas concentrações para melhorar a estabilidade das emulsões e diminuir a necessidade de energia de mistura.

emulsão bifásica

Uma emulsão bifásica descreve a mistura de água no diesel sem o uso de qualquer surfactante. Para um WiDE bifásico, os fluxos de alimentação de água e diesel são emulsionados por ultrassom logo na frente do motor. A emulsão ultrassônica bifásica de água em diesel 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 de combustível de emulsão água-diesel

A configuração

Ithnin et al. (2018) estudaram o efeito do combustível de emulsão de água em diesel (WiDE) em um motor diesel de injeção direta de cilindro único. A água e o diesel foram armazenados em diferentes unidades, das quais foram transferidos quantitativamente para um sistema de mistura. O sistema de mistura consistiu em uma combinação de misturador de alto cisalhamento e homogeneizador ultrassônico. O misturador de cisalhamento forneceu uma pré-mistura bruta de água e diesel, enquanto a sonicação foi usada para uma emulsão uniforme e de tamanho fino. A emulsão água-diesel foi preparada com 5% de água. O combustível WiDE homogêneo foi transferido diretamente do sistema de mistura para o motor. O combustível WiDE preparado não continha surfactantes, sendo denominado como um combustível de emulsão instável de longo prazo (UW / D). O motor diesel foi testado sob 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. Para comparar os efeitos como desempenho do combustível e emissões, um combustível de emulsão estabilizado com surfactante (emulsão estável (SW / D)) e combustível diesel puro (D2) também foram testados no mesmo motor. 5% da água é usada tanto para emulsão instável quanto para emulsão estável.

Os resultados

O teste do motor mostra que o combustível de emulsão água-diesel sem surfactante (UW/D) resulta em melhoria significativa do motor com um aumento de 3,59% na eficiência térmica do freio (BTE) e 3,89% de redução no consumo de combustível específico do freio (BSFC) em comparação com o óleo diesel puro. Os combustíveis de emulsão, tanto estabilizados (SW/D) quanto não estabilizados (UW/D), aumentaram a eficiência térmica do motor devido ao fenômeno de microexplosão. O fenômeno de microexplosão causa uma rápida evaporação de gotículas de água emulsionadas. Como as minúsculas gotículas de água são cercadas por óleo, o intenso processo de evaporação interrompe as gotículas violentamente em partículas muito finas, o que promove a mistura de ar e combustível. A ruptura da gota 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-diesel em tempo real para o motor sem o uso de surfactante funciona muito bem. A transferência imediata da mistura água-diesel preparada por ultrassom elimina o problema de estabilização do combustível de emulsão armazenado, bem como a dependência do surfactante. O combustível de emulsão água-diesel instável (UW/D) manteve de forma confiável sua forma de emulsão sem atingir o estágio de sedimentação em 25 segundos (veja a figura abaixo).

Comportamento de gotículas de combustível de emulsão ater-in-diesel emulsionado por ultrassom 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 ao óleo diesel puro, o combustível de emulsão de água em diesel tem uma emissão de exaustão significativamente reduzida de óxidos de nitrogênio (NOx) e material particulado (PM) com uma redução média de 31,66% e 16,33%, respectivamente.

No geral, emulsões preparadas por ultrassom – se instável ou estabilizado por surfactante – ajudar a economizar combustível diesel e reduzir as emissões de escape.
Emissões de escape mais ecológicas e economia de combustível com ultrassom!

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, consiste em água, óleo e um surfactante. Durante a emulsificação ultrassônica da água na fase diesel, um surfactante é adicionado. O agente emulsificante prolonga a estabilidade da emulsão e permite armazenar a água no óleo diesel. A estabilidade da emulsão W/D depende do emulsificante, dos parâmetros do processo ultrassônico e da temperatura. Com a combinação certa de parâmetros de surfactante e sonicação, uma estabilidade significativa a longo prazo do WiDE pode ser alcançada.

A instalação e adaptação de um sistema de emulsificação ultrassônica é simples, segura e barata. Os combustíveis de emulsão W/D podem ser usados em combinação com qualquer motor diesel convencional (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 de água em diesel consistem em partículas de água suspensas em uma fase diesel contínua. Quando queimadas, as gotículas de água de tamanho fino no combustível de emulsão atingem seu estágio superaquecido mais rápido que o diesel e criam uma quebra 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 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 (nano-)emulsões de alta qualidade. Desempenho ultrassônico superior, robustez e uma pequena pegada tornam os ultrassônicos Hielscher o sistema de mistura ideal para combustíveis de emulsão de água em diesel. Se você deseja produzir combustíveis de emulsão para a injeção direta em um motor de combustão ou combustíveis de emulsão estáveis para armazenamento e posterior combustão, 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 marítimas interiores até a geração de grandes volumes de combustível aquático para usinas de energia e grandes embarcações marítimas – Nossos clusters de processadores ultrassônicos permitem o processamento de combustível de emulsão de qualquer volume.
Além da saída ultrassônica alta, da confiança e do robustez, o Ultrasonics de Hielscher’ Os processadores ultrassônicos industriais podem ser controlados e monitorados com precisão. Os 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 integrado. O controle inteligente de software permite estabelecer e definir parâmetros de processo exatos para um combustível de emulsão padronizado de alta qualidade contínua. O reator de fluxo ultrassônico encamisado pode ser resfriado com eficiência e permitir processar a emulsão em temperaturas especificadas. A robustez do nosso equipamento ultrassônico permite a operação 24 horas por dia, 7 dias por semana, em ambientes pesados e exigentes.
A tabela abaixo fornece uma indicação da capacidade aproximada de processamento de nossos ultrassônicos: