Ультразвуковые эмульсии для сжигания топлива «вода в дизельном топливе»

Электрогенераторы, судовые и железнодорожные двигатели, работающие на дизельном топливе, могут работать более эффективно при использовании эмульсий типа «вода в дизельном топливе». Водно-дизельные эмульсионные топлива снижают расход топлива и температуру сгорания, сгорают чище и сокращают выбросы, например NOx и сажи. Ультразвуковое эмульгирование – надёжный, простой и эффективный метод получения высококачественных топлив типа «вода в дизельном топливе».

Ультразвуковое эмульгирование воды в дизельном топливе

Эмульсии типа «вода в дизельном топливе» (WiDE; эмульсионное топливо W/D) представляют собой модифицированную альтернативу дизельному топливу, содержащую до 15% воды. В водно-дизельных эмульсиях, также известных как акватопливо, капли воды с помощью ультразвука эмульгируются в непрерывной фазе дизельного топлива. Интенсивная обработка жидкостей ультразвуком создаёт акустическую кавитацию. Кавитационные силы сдвига разрушают капли и образуют однородную эмульсию из водной и дизельной фаз, которые иначе не смешиваются.

Эмульсия типа «вода в дизельном топливе»

WiDE (эмульсия W/D) определяется как смесь естественным образом несмешивающихся жидкостей: капель воды (дисперсная/внутренняя фаза) в дизельном топливе (непрерывная/внешняя фаза). Для повышения стабильности эмульсии и снижения потребности в энергии для смешивания добавляют эмульгатор в низких концентрациях.

Двухфазная эмульсия

Двухфазная эмульсия представляет собой смесь воды в дизельном топливе без использования каких-либо поверхностно-активных веществ. Для получения двухфазной WiDE подаваемые потоки воды и дизельного топлива эмульгируются ультразвуком непосредственно перед двигателем. Полученная с помощью ультразвука двухфазная эмульсия типа «вода в дизельном топливе» поступает прямо из ультразвукового реактора с проточной ячейкой в двигатель внутреннего сгорания. Эмульсия без поверхностно-активного вещества предназначена для непосредственного сжигания, а не для хранения.

Исследование применения водно-дизельного эмульсионного топлива

Экспериментальная установка

Ithnin и соавт. (2018) изучили влияние эмульсионного топлива типа «вода в дизельном топливе» (WiDE) на одноцилиндровый дизельный двигатель с непосредственным впрыском. Воду и дизельное топливо хранили в отдельных ёмкостях, из которых их количественно переносили в систему смешивания. Система смешивания состояла из высокосдвигового смесителя и ультразвукового гомогенизатора. Сдвиговый смеситель обеспечивал грубое предварительное смешивание воды и дизельного топлива, а обработка ультразвуком использовалась для получения мелкодисперсной однородной эмульсии. Водно-дизельную эмульсию готовили с содержанием воды 5%. Однородное топливо WiDE подавали непосредственно из системы смешивания в двигатель. Приготовленное топливо WiDE не содержало поверхностно-активных веществ, поэтому его назвали эмульсионным топливом, нестабильным при длительном хранении (UW/D). Дизельный двигатель испытывали при четырёх различных нагрузках (1 kW (25%), 2 kW (50%), 3 kW (74%), 4 kW (100%)) и постоянной частоте вращения 3000 rpm. Для сравнения таких показателей, как характеристики топлива и выбросы, на том же двигателе также испытывали эмульсионное топливо, стабилизированное поверхностно-активным веществом (стабильная эмульсия (SW/D)), и чистое дизельное топливо (D2). Как нестабильная, так и стабильная эмульсия содержат 5% воды.

Результаты

Испытание двигателя показывает, что водно-дизельное эмульсионное топливо без поверхностно-активного вещества (UW/D) значительно улучшает показатели двигателя: эффективный термический КПД (BTE) повышается на 3,59%, а удельный эффективный расход топлива (BSFC) снижается на 3,89% по сравнению с чистым дизельным топливом. Эмульсионные топлива, как стабилизированное (SW/D), так и нестабилизированное (UW/D), повышали термический КПД двигателя благодаря явлению микровзрыва. Явление микровзрыва вызывает быстрое испарение эмульгированных капель воды. Поскольку мельчайшие капли воды окружены маслом, интенсивный процесс испарения резко разрушает капли на очень мелкие частицы, что способствует смешиванию воздуха и топлива. Разрушение капель и смешивание с воздухом значительно повышают эффективность сгорания.
Результаты показывают, что концепция получения водно-дизельного эмульсионного топлива и его подачи в двигатель в режиме реального времени без использования поверхностно-активного вещества работает очень хорошо. Немедленная подача приготовленной с помощью ультразвука водно-дизельной смеси устраняет проблему стабилизации эмульсионного топлива при хранении, а также зависимость от поверхностно-активного вещества. Нестабильное водно-дизельное эмульсионное топливо (UW/D) надёжно сохраняло эмульсионную форму, не переходя в стадию седиментации в течение 25 секунд (см. изображение ниже).

Поведение капель эмульсионного топлива типа «вода в дизельном топливе», эмульгированного с помощью ультразвука, во времени: a) 10 s, b) 25 s, c) 50 s и d) 132 s. (увеличение 1000×) – Ithnin и соавт. 2018

По сравнению с чистым дизельным топливом эмульсионное топливо типа «вода в дизельном топливе» обеспечивает значительное снижение выбросов оксидов азота (NOx) и твёрдых частиц (PM) с выхлопными газами – в среднем на 31,66% и 16,33% соответственно.

В целом эмульсии, приготовленные с помощью ультразвука, – как нестабильные, так и стабилизированные поверхностно-активным веществом – помогают экономить дизельное топливо и сокращать выбросы с выхлопными газами.
Более экологичный выхлоп и экономия топлива благодаря ультразвуку!

Первичное и вторичное распыление в факеле распылённого эмульгированного топлива.

Трёхфазная эмульсия

Трёхкомпонентная эмульсия, также известная как трёхфазная эмульсия, состоит из воды, масла и поверхностно-активного вещества. Во время ультразвукового эмульгирования воды в дизельной фазе добавляют поверхностно-активное вещество. Эмульгатор продлевает период стабильности эмульсии и позволяет хранить топливо типа «вода в дизельном топливе». Стабильность эмульсии W/D зависит от эмульгатора, параметров ультразвукового процесса и температуры. При правильном сочетании поверхностно-активного вещества и параметров обработки ультразвуком можно достичь значительной долговременной стабильности WiDE.

Установка ультразвуковой системы эмульгирования и дооснащение ею существующего оборудования просты, безопасны и недороги. Эмульсионные топлива W/D можно использовать с любыми обычными дизельными двигателями (например, двигателями электрогенераторов, железнодорожными и судовыми двигателями) без модификации.

Что делает топлива WiDE более эффективными? – Явление микровзрыва

Эмульсионные топлива типа «вода в дизельном топливе» состоят из взвешенных частиц воды в непрерывной дизельной фазе. При сгорании мелкие капли воды в эмульсионном топливе достигают перегретого состояния быстрее, чем дизельное топливо, и во время сгорания разрушаются вследствие расширения пара (самопроизвольного взрыва), образуя очень мелкие частицы. Благодаря увеличенной площади поверхности мельчайших частиц в сочетании с поступающим воздухом смешивание воздуха и топлива значительно улучшается, что повышает эффективность сгорания. (Ivanov, Nevedov 1965)

Высокопроизводительные ультразвуковые системы эмульгирования

Hielscher Ultrasonics поставляет высокопроизводительные ультразвуковые процессоры для непрерывного производства высококачественных (нано)эмульсий. Превосходные характеристики ультразвуковой обработки, прочность и небольшая занимаемая площадь делают ультразвуковые аппараты Hielscher идеальной системой смешивания для эмульсионных топлив типа «вода в дизельном топливе». Независимо от того, хотите ли вы производить эмульсионные топлива для непосредственного впрыска в двигатель внутреннего сгорания или стабильные эмульсионные топлива для хранения и последующего сжигания, Hielscher Ultrasonics предлагает наиболее подходящую конфигурацию для вашей задачи. От небольших ультразвуковых эмульгирующих систем для встраивания в железнодорожные локомотивы и суда внутреннего плавания до получения больших объёмов акватоплива для электростанций и огромных морских судов – наши комплексы ультразвуковых процессоров позволяют обрабатывать эмульсионное топливо в любых объёмах.
Помимо высокой ультразвуковой мощности, надёжности и прочности, промышленные ультразвуковые процессоры Hielscher Ultrasonics обеспечивают точное управление и мониторинг. Датчики температуры и давления передают данные на генератор, где все важные параметры процесса, такие как амплитуда, полезная и общая энергия, температура и давление, записываются на встроенную SD-карту. Интеллектуальное программное управление позволяет определять и задавать точные параметры процесса для получения стандартизированного эмульсионного топлива неизменно высокого качества. Ультразвуковой проточный реактор с рубашкой можно эффективно охлаждать, что позволяет обрабатывать эмульсию при заданных температурах. Прочность нашего ультразвукового оборудования позволяет работать круглосуточно, 24/7, при высоких нагрузках и в сложных условиях.
Приведённая ниже таблица даёт представление о приблизительной производительности наших ультразвуковых аппаратов: