Emulsii cu ultrasunete pentru arderea combustibilului apă-în-motorină

Generatoarele electrice, motoarele navale și motoarele feroviare alimentate cu motorină pot funcționa mai eficient atunci când se utilizează emulsii apă-în-motorină. Combustibilii sub formă de emulsie apă-motorină reduc consumul de combustibil, scad temperatura de ardere, ard mai curat și reduc emisiile, precum NOx și funinginea. Emulsionarea cu ultrasunete este o metodă fiabilă, simplă și eficace pentru producerea de combustibili apă-în-motorină de înaltă calitate.

Emulsionarea cu ultrasunete a apei în motorină

Emulsiile apă-în-motorină (WiDE; combustibil sub formă de emulsie W/D) sunt o alternativă modificată la combustibilul diesel, care conține până la 15% apă. În emulsiile apă-motorină, cunoscute și sub denumirea de aqua-fuel, picăturile de apă sunt emulsionate cu ultrasunete în faza continuă de motorină. Sonicarea intensă a lichidelor generează cavitație acustică. Forțele de forfecare cavitaționale dezintegrează picăturile și produc o emulsie omogenă din fazele de apă și motorină, altfel nemiscibile.

Emulsie apă-în-motorină

WiDE (emulsie W/D) este definită ca un amestec de lichide în mod natural nemiscibile, format din picături de apă (fază dispersă/internă) în motorină (fază continuă/externă). Un agent de emulsionare se adaugă în concentrații scăzute pentru a îmbunătăți stabilitatea emulsiei și a reduce necesarul de energie de amestecare.

Emulsie bifazică

O emulsie bifazică descrie amestecul de apă în motorină fără utilizarea vreunui surfactant. Pentru o WiDE bifazică, fluxurile de alimentare cu apă și motorină sunt emulsionate cu ultrasunete imediat înaintea motorului. Emulsia bifazică apă-în-motorină obținută cu ultrasunete trece direct din reactorul cu ultrasunete cu celulă de flux în motorul cu ardere internă. Fără surfactant, emulsia nu este destinată stocării, ci arderii directe.

Studiu de caz privind combustibilul sub formă de emulsie apă-motorină

Configurația

Ithnin et al. (2018) au studiat efectul combustibilului sub formă de emulsie apă-în-motorină (WiDE) asupra unui motor diesel monocilindric cu injecție directă. Apa și motorina au fost stocate în unități diferite, din care au fost transferate cantitativ într-un sistem de amestecare. Sistemul de amestecare a constat într-o combinație dintre un mixer cu forfecare ridicată și un omogenizator cu ultrasunete. Mixerul cu forfecare a asigurat o preamestecare grosieră a apei și motorinei, în timp ce sonicarea a fost utilizată pentru obținerea unei emulsii fine și uniforme. Emulsia apă-motorină a fost preparată cu 5% apă. Combustibilul WiDE omogen a fost transferat direct din sistemul de amestecare în motor. Combustibilul WiDE preparat nu conținea niciun surfactant, fiind denumit, prin urmare, combustibil sub formă de emulsie instabilă pe termen lung (UW/D). Motorul diesel a fost testat în patru condiții diferite de sarcină (1 kW (25%), 2 kW (50%), 3 kW (74%), 4 kW (100%)) și la o turație constantă de 3000 rpm. Pentru a compara efecte precum performanța combustibilului și emisiile, pe același motor au fost testate și un combustibil sub formă de emulsie stabilizată cu surfactant (emulsie stabilă (SW/D)) și combustibil diesel pur (D2). Se utilizează 5% apă atât pentru emulsia instabilă, cât și pentru emulsia stabilă.

Rezultatele

Testul motorului arată că combustibilul sub formă de emulsie apă-motorină fără surfactant (UW/D) conduce la o îmbunătățire semnificativă la nivelul motorului, cu o creștere de 3,59% a randamentului termic efectiv (BTE) și o reducere de 3,89% a consumului specific efectiv de combustibil (BSFC) în comparație cu combustibilul diesel pur. Combustibilii sub formă de emulsie, atât cei stabilizați (SW/D), cât și cei nestabilizați (UW/D), au crescut randamentul termic al motorului datorită fenomenului de microexplozie. Fenomenul de microexplozie provoacă o evaporare rapidă a picăturilor de apă emulsionate. Deoarece picăturile minuscule de apă sunt înconjurate de ulei, procesul intens de evaporare dezintegrează violent picăturile în particule foarte fine, ceea ce favorizează amestecarea aerului cu combustibilul. Dezintegrarea picăturilor și amestecarea cu aerul cresc semnificativ randamentul arderii.
Rezultatele arată că conceptul de producere și transfer în timp real al combustibilului sub formă de emulsie apă-motorină în motor, fără utilizarea surfactantului, funcționează foarte bine. Transferul imediat al amestecului apă-motorină preparat cu ultrasunete elimină problema stabilizării combustibilului sub formă de emulsie stocat, precum și dependența de surfactant. Combustibilul sub formă de emulsie apă-motorină instabilă (UW/D) și-a menținut în mod fiabil forma de emulsie, fără a ajunge în stadiul de sedimentare în decurs de 25sec (vedeți imaginea de mai jos).

Comportamentul picăturilor de combustibil sub formă de emulsie apă-în-motorină emulsionat cu ultrasunete, de-a lungul timpului a) 10 s, b) 25 s, c) 50 s și d) 132 s. (mărire 1000×) – Ithnin et al. 2018

În comparație cu combustibilul diesel pur, combustibilul sub formă de emulsie apă-în-motorină prezintă emisii de evacuare semnificativ reduse de oxizi de azot (NOx) și de particule (PM), cu o reducere medie de 31,66% și, respectiv, 16,33%.

În ansamblu, emulsiile preparate cu ultrasunete – fie instabile, fie stabilizate cu surfactant – contribuie la economisirea combustibilului diesel și la reducerea emisiilor de evacuare.
Emisii de evacuare mai ecologice și economii de combustibil cu ultrasunete!

Atomizarea primară și secundară în flacăra pulverizată a combustibilului emulsionat.

Emulsie ternară

O emulsie ternară, cunoscută și ca emulsie trifazică, constă din apă, ulei și un surfactant. În timpul emulsionării cu ultrasunete a apei în faza de motorină se adaugă un surfactant. Agentul de emulsionare prelungește stabilitatea emulsiei și permite stocarea combustibilului apă-în-motorină. Stabilitatea emulsiei W/D depinde de emulgator, de parametrii procesului cu ultrasunete și de temperatură. Cu combinația potrivită de surfactant și parametri de sonicare se poate obține o stabilitate semnificativă pe termen lung a WiDE.

Instalarea și retrofitarea unui sistem de emulsionare cu ultrasunete sunt simple, sigure și ieftine. Combustibilii sub formă de emulsie W/D pot fi utilizați în combinație cu orice motoare diesel convenționale (de exemplu, generatoare electrice, motoare feroviare, motoare navale) fără modificări.

Ce face combustibilii WiDE mai eficienți? – Fenomenul de microexplozie

Combustibilii sub formă de emulsie apă-în-motorină constau din particule de apă suspendate într-o fază continuă de motorină. La ardere, picăturile fine de apă din combustibilul emulsionat ajung la starea de supraîncălzire mai repede decât motorina și produc o fragmentare prin expansiunea vaporilor (explozie spontană) în timpul arderii, generând particule foarte fine. Datorită suprafeței mărite a particulelor minuscule, combinate cu aerul admis, amestecarea aerului cu combustibilul se îmbunătățește semnificativ, crescând astfel randamentul 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. Performanța ultrasonică superioară, robustețea și amprenta redusă fac din ultrasonicatoarele Hielscher sistemul de amestecare ideal pentru combustibilii sub formă de emulsie apă-în-motorină. Fie că doriți să produceți combustibili sub formă de emulsie pentru injecția directă într-un motor cu ardere internă, fie combustibili sub formă de emulsie stabili pentru stocare și ardere ulterioară, Hielscher Ultrasonics are configurația cea mai potrivită pentru aplicația dumneavoastră. De la sisteme de emulsionare cu ultrasunete mai mici, pentru integrarea în locomotive feroviare și nave de navigație interioară, până la producerea unor volume mari de aqua-fuel pentru centrale electrice și nave maritime uriașe – clusterele noastre de procesoare cu ultrasunete permit procesarea combustibilului sub formă de emulsie în orice volum.
Pe lângă puterea ultrasonică ridicată, fiabilitate și robustețe, procesoarele industriale cu ultrasunete de la Hielscher Ultrasonics pot fi controlate și monitorizate cu precizie. Senzorii de temperatură și presiune transmit datele către generator, unde toți parametrii importanți ai procesului, precum amplitudinea, energia netă și totală, temperatura și presiunea, sunt înregistrați pe un card SD încorporat. Controlul software inteligent permite stabilirea și setarea unor parametri exacți de proces pentru un combustibil sub formă de emulsie standardizat, de calitate constant ridicată. Reactorul cu ultrasunete cu flux, prevăzut cu manta, poate fi răcit eficient și permite procesarea emulsiei la temperaturi specificate. Robustețea echipamentelor noastre cu ultrasunete permite funcționarea 24/7 în regim intens și în medii solicitante.
Tabelul de mai jos vă oferă o indicație privind capacitatea aproximativă de procesare a ultrasonicatoarelor noastre: