Emulsii cu ultrasunete pentru arderea apei-în-diesel

Generatoarele de energie, motoarele navelor și motoarele feroviare, care sunt alimentate cu motorină, pot funcționa mai eficient atunci când se utilizează emulsii apă-diesel. Combustibilii de emulsie apă-motorină reduc consumul de combustibil, scad temperatura de ardere, ard mai curat și reduc emisiile, cum ar fi NOx și funinginea. Emulsionarea cu ultrasunete este o metodă fiabilă, simplă și eficace pentru a produce combustibili de înaltă calitate apă-în-motorină.

Emulsionarea cu ultrasunete a apei-in-diesel

Emulsii apă-in-diesel (WiDE; W? D emulsie combustibil) sunt o alternativă modificată de combustibil diesel, care conține până la 15% apă. De asemenea, cunoscut sub numele de aqua-fuel, în emulsii apă-diesel, picăturile de apă sunt emulsionate ultrasonically în faza diesel continuă. Sonicare intensă a lichidelor generează cavitație acustică. Forțele de forfecare cavitaționale perturbă picăturile și produc o emulsie omogenă a fazelor altfel nemiscibile de apă și motorină.

Emulsie apă-in-diesel

WiDE (emulsie W/D) este definit ca amestec de lichide naturale nemiscibile de picături de apă (fază dispersată/internă) în motorină (fază continuă/externă). Un agent de emulsionare este adăugat în concentrații scăzute pentru a îmbunătăți stabilitatea emulsiilor și pentru a reduce necesarul de energie de amestecare.

emulsie bifazică

O emulsie bifazică descrie amestecul de apă în motorină fără utilizarea vreunui agent tensioactiv. Pentru un WiDE bifazat, fluxurile de alimentare cu apă și motorină sunt emulsionate ultrasonically chiar în fața motorului. Emulsia cu ultrasunete bifazică apă-în-diesel merge direct de la reactorul cu ultrasunete flow-cell în motorul cu combustie. Fără agent tensioactiv, emulsia nu este făcută pentru depozitare, ci pentru ardere directă.

Studiu de caz al combustibilului de emulsie apă-motorină

Configurarea

Ithnin et al. (2018) au studiat efectul combustibilului de emulsie apă-in-diesel (WiDE) asupra unui motor diesel cu un singur cilindru, cu injecție directă. Apa și motorina au fost stocate în diferite unități, de unde au fost transferate cantitativ într-un sistem de amestecare. Sistemul de amestecare a constat într-o combinație de mixer de forfecare mare și omogenizator cu ultrasunete. Mixerul de forfecare a furnizat un pre-amestec brut de apă și motorină, în timp ce sonicare a fost utilizat pentru o emulsie uniformă, de dimensiuni fine. Emulsia apă-motorină a fost preparată cu 5% apă. Combustibilul omogen WiDE a fost transferat direct din sistemul de amestecare în motor. Combustibilul WiDE preparat nu conținea agenți tensioactivi, fiind astfel denumit combustibil de emulsie instabil pe termen lung (UW/D). Motorul diesel a fost testat în patru condiții diferite de încărcare (1 kW (25%), 2 kW (50%), 3 kW (74%), 4 kW (100%)) și cu o viteză constantă de 3000 rpm. Pentru a compara efectele, cum ar fi performanța combustibilului și emisiile, un combustibil de emulsie stabilizat cu agent tensioactiv (emulsie stabilă (SW? D)) și motorină curată (D2) au fost, de asemenea, testate pe același motor. 5% apă este utilizată atât pentru emulsie instabilă, cât și pentru emulsie stabilă.

Rezultatele

Testul motorului arată că combustibilul de emulsie apă-motorină fără agent tensioactiv (UW? D) are ca rezultat o îmbunătățire semnificativă a motorului, cu o creștere de 3,59% a eficienței termice a frânei (BTE) și o reducere de 3,89% a consumului specific de combustibil pentru frânare (BSFC) în comparație cu motorina curată. Combustibilii de emulsie, atât stabilizați (SW? D), cât și nestabilizați (UW? D), au crescut eficiența termică a motorului datorită fenomenului de micro-explozie. Fenomenul de micro-explozie provoacă o evaporare rapidă a picăturilor de apă emulsionate. Deoarece picăturile de apă sunt înconjurate în ulei, procesul intens de evaporare perturbă picăturile violent în particule foarte fine, ceea ce promovează amestecarea aerului și a combustibilului. Întreruperea picăturilor și amestecarea cu aerul crește semnificativ eficiența arderii.
Rezultatele arată că conceptul de producere și transfer al combustibilului de emulsie apă-motorină în timp real în motor fără a utiliza agent tensioactiv funcționează foarte bine. Transferul imediat al amestecului apă-motorină preparat ultrasonically elimină problema de stabilizare pentru combustibilul de emulsie stocat, precum și dependența de surfactant. Combustibilul instabil de emulsie apă-motorină (UW? D) și-a menținut în mod fiabil forma de emulsie fără a ajunge la stadiul de sedimentare în 25sec (a se vedea imaginea de mai jos).

Comportamentul picăturilor de combustibil emulsionat ultrasonically emulsionat ater-in-diesel în timp a) 10 s, b) 25 s, c) 50 s și d) 132 s. (mărire 1000×) – Ithnin și colab. 2018

În comparație cu motorina curată, combustibilul de emulsie apă-in-diesel are o reducere semnificativă a emisiilor de oxizi de azot (NOx) și particule (PM), cu o reducere medie de 31,66% și, respectiv, 16,33%.

În general, emulsii preparate ultrasonically – umed instabil sau stabilizat cu agent tensioactiv – contribuie la economisirea motorinei și la reducerea emisiilor de gaze de eșapament.
Emisii de gaze de eșapament mai ecologice și economii de combustibil cu ultrasunete!

Atomizare primară și secundară în flacără pulverizată a combustibilului emulsionat.

Emulsie de fază ternară

O emulsie în fază ternară, cunoscută și sub numele de emulsie trifazată, constă în apă, ulei și un agent tensioactiv. În timpul emulsionării cu ultrasunete a apei în faza diesel se adaugă un agent tensioactiv. Agentul de emulsionare prelungește stabilitatea emulsiei și permite stocarea combustibilului apă-motorină. Stabilitatea emulsiei W? D depinde de emulgator, parametrii procesului cu ultrasunete și temperatura. Cu combinația potrivită de parametri tensioactivi și sonicare, se poate obține o stabilitate semnificativă pe termen lung a WiDE.

Instalarea și retro-montarea unui sistem de emulsionare cu ultrasunete este simplă, sigură și ieftină. Combustibilii de emulsie W? D pot fi utilizați în combinație cu orice motoare diesel convenționale (de exemplu, generatoare de energie, motoare feroviare, motoare navale) fără modificări.

Ce face combustibilii WiDE mai eficienți? – Fenomenul micro-exploziei

Combustibilii de emulsie apă-in-diesel constau în particule de apă suspendate într-o fază diesel continuă. Când sunt arse, picăturile de apă de dimensiuni fine din combustibilul de emulsie ajung la stadiul lor supraîncălzit mai repede decât motorina și creează o rupere a dilatării vaporilor (explozie spontană) în timpul arderii, creând particule foarte fine. Datorită suprafeței crescute a particulelor minuscule combinate cu aerul de admisie, amestecul de aer și combustibil este îmbunătățit semnificativ și, prin urmare, crește eficiența arderii. (Ivanov, Nevedov 1965)

Sisteme de emulsionare cu ultrasunete de înaltă performanță

Hielscher Ultrasonics furnizează procesoare cu ultrasunete de înaltă performanță pentru producția continuă de (nano-)emulsii de înaltă calitate. Performanță superioară cu ultrasunete, robustețe, și o amprentă mică face Hielscher Ultrasonicators sistemul ideal de amestecare pentru combustibili de emulsie apă-in-diesel. Wether doriți să producă combustibili de emulsie pentru injecția directă într-un motor cu ardere internă sau combustibili de emulsie stabil pentru depozitare și ardere ulterioară, Hielscher Ultrasonics are cea mai potrivită configurare pentru aplicația dumneavoastră. De la sisteme de emulsie cu ultrasunete mai mici pentru integrarea în locomotive feroviare și nave marine interioare până la generarea de volume mari de aqua-combustibil pentru centrale electrice și nave marine uriașe – Clusterele noastre de procesoare cu ultrasunete permit prelucrarea combustibilului emulsie de orice volum.
Pe lângă producția cu ultrasunete ridicată, fiabilitate și robustețe, Hielscher Ultrasonics’ Procesoarele industriale cu ultrasunete pot fi controlate și monitorizate cu precizie. Senzorii de temperatură și presiune transmit datele către generator, unde toți parametrii importanți ai procesului, cum ar fi amplitudinea, energia netă și totală, temperatura și presiunea, sunt înregistrați pe un card SD încorporat. Controlul inteligent al software-ului permite stabilirea și setarea parametrilor exacți ai procesului pentru un combustibil standardizat de emulsie de înaltă calitate continuă. Reactorul cu flux ultrasonic cu manta poate fi răcit eficient și permite procesarea emulsiei la temperaturi specificate. Robustețea echipamentului nostru cu ultrasunete permite funcționarea 24/7 la grele și în medii solicitante.
Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității aproximative de procesare a ultrasonicators noastre: