Ultrazvukové emulzie vody v motorovej nafte na spaľovanie

Elektrické generátory, lodné motory a železničné motory poháňané motorovou naftou môžu pri použití emulzií vody v motorovej nafte pracovať efektívnejšie. Emulzné palivá na báze vody a motorovej nafty znižujú spotrebu paliva, znižujú teplotu spaľovania, spaľujú sa čistejšie a znižujú emisie, napríklad NOx a sadzí. Ultrazvuková emulgácia je spoľahlivá, jednoduchá a účinná metóda výroby vysokokvalitných palív na báze vody v motorovej nafte.

Ultrazvuková emulgácia vody v motorovej nafte

Emulzie vody v motorovej nafte (WiDE; emulzné palivo W/D) sú upravenou alternatívou motorovej nafty, ktorá obsahuje až 15% vody. V emulziách vody a motorovej nafty, známych aj ako aquafuel, sa kvapôčky vody ultrazvukom emulgujú do kontinuálnej fázy motorovej nafty. Intenzívna sonikácia kvapalín vytvára akustickú kavitáciu. Kavitačné šmykové sily rozrušujú kvapôčky a vytvárajú homogénnu emulziu inak nemiešateľných fáz vody a motorovej nafty.

Emulzia vody v motorovej nafte

WiDE (emulzia W/D) je definovaná ako zmes prirodzene nemiešateľných kvapalín, v ktorej sú kvapôčky vody (dispergovaná/vnútorná fáza) rozptýlené v motorovej nafte (kontinuálna/vonkajšia fáza). Emulgátor sa pridáva v nízkych koncentráciách s cieľom zlepšiť stabilitu emulzie a znížiť energetickú náročnosť miešania.

Dvojfázová emulzia

Dvojfázová emulzia označuje zmes vody v motorovej nafte bez použitia akejkoľvek povrchovo aktívnej látky. Pri dvojfázovej WiDE sa prívodné prúdy vody a motorovej nafty emulgujú ultrazvukom bezprostredne pred motorom. Ultrazvukom vytvorená dvojfázová emulzia vody v motorovej nafte prúdi priamo z ultrazvukového reaktora s prietokovou celou do spaľovacieho motora. Bez povrchovo aktívnej látky nie je emulzia určená na skladovanie, ale na priame spaľovanie.

Prípadová štúdia emulzného paliva na báze vody a motorovej nafty

Experimentálne usporiadanie

Ithnin a kol. (2018) skúmali vplyv emulzného paliva na báze vody v motorovej nafte (WiDE) na jednovalcový vznetový motor s priamym vstrekovaním. Voda a motorová nafta sa skladovali v oddelených jednotkách, z ktorých sa kvantitatívne prevádzali do miešacieho systému. Miešací systém pozostával z kombinácie miešadla s vysokými šmykovými silami a ultrazvukového homogenizátora. Šmykové miešadlo vytváralo hrubú predbežnú zmes vody a motorovej nafty, zatiaľ čo sonikácia sa používala na vytvorenie rovnomernej emulzie s jemnými kvapôčkami. Emulzia vody a motorovej nafty sa pripravovala s 5% vody. Homogénne palivo WiDE sa privádzalo priamo z miešacieho systému do motora. Pripravené palivo WiDE neobsahovalo žiadne povrchovo aktívne látky, preto bolo označené ako dlhodobo nestabilné emulzné palivo (UW/D). Vznetový motor sa testoval pri štyroch rôznych zaťaženiach (1 kW (25%), 2 kW (50%), 3 kW (74%), 4 kW (100%)) a pri konštantných otáčkach 3000 rpm. Na porovnanie účinkov, ako sú prevádzkové vlastnosti paliva a emisie, sa na tom istom motore testovalo aj emulzné palivo stabilizované povrchovo aktívnou látkou (stabilná emulzia (SW/D)) a čistá motorová nafta (D2). Pri nestabilnej aj stabilnej emulzii sa používa 5% vody.

Výsledky

Skúška motora ukazuje, že emulzné palivo typu voda v nafte bez povrchovo aktívnej látky (UW/D) vedie k výraznému zlepšeniu prevádzky motora so zvýšením efektívnej tepelnej účinnosti (BTE) o 3,59% a znížením mernej efektívnej spotreby paliva (BSFC) o 3,89% v porovnaní s čistou naftou. Emulzné palivá, stabilizované (SW/D) aj nestabilizované (UW/D), zvýšili tepelnú účinnosť motora vďaka javu mikroexplózie. Jav mikroexplózie spôsobuje rýchle odparovanie emulgovaných kvapôčok vody. Keďže drobné kvapôčky vody sú obklopené olejom, intenzívny proces odparovania prudko rozrušuje kvapôčky na veľmi jemné častice, čo podporuje miešanie vzduchu a paliva. Rozrušovanie kvapôčok a miešanie so vzduchom výrazne zvyšuje účinnosť spaľovania.
Výsledky ukazujú, že koncepcia výroby a privádzania emulzného paliva typu voda v nafte do motora v reálnom čase bez použitia povrchovo aktívnej látky funguje veľmi dobre. Okamžitý prívod ultrazvukom pripravenej zmesi vody a nafty odstraňuje problém stabilizácie skladovaného emulzného paliva aj závislosť od povrchovo aktívnej látky. Nestabilné emulzné palivo typu voda v nafte (UW/D) si spoľahlivo zachovalo svoju emulznú formu bez dosiahnutia štádia sedimentácie počas 25sec (pozri obrázok nižšie).

Správanie kvapôčok ultrazvukom emulgovaného emulzného paliva typu voda v nafte v čase a) 10 s, b) 25 s, c) 50 s a d) 132 s. (zväčšenie 1000×) – Ithnin et al. 2018

V porovnaní s čistou naftou má emulzné palivo typu voda v nafte výrazne nižšie výfukové emisie oxidov dusíka (NOx) a tuhých častíc (PM), pričom priemerné zníženie predstavuje 31,66% pri oxidoch dusíka a 16,33% pri tuhých časticiach.

Celkovo ultrazvukom pripravené emulzie – či už nestabilné, alebo stabilizované povrchovo aktívnou látkou – pomáhajú šetriť naftu a znižovať výfukové emisie.
Ekologickejšie výfukové emisie a úspora paliva vďaka ultrazvuku!

Primárna a sekundárna atomizácia v plameni rozprášeného emulgovaného paliva.

Trojfázová emulzia

Ternárna emulzia, známa aj ako trojfázová emulzia, pozostáva z vody, oleja a povrchovo aktívnej látky. Počas ultrazvukovej emulgácie vody do naftovej fázy sa pridáva povrchovo aktívna látka. Emulgátor predlžuje stabilitu emulzie a umožňuje skladovanie paliva typu voda v nafte. Stabilita emulzie W/D závisí od emulgátora, parametrov ultrazvukového procesu a teploty. Správnou kombináciou povrchovo aktívnej látky a parametrov sonikácie možno dosiahnuť výraznú dlhodobú stabilitu WiDE.

Inštalácia a dodatočná montáž ultrazvukového emulgačného systému je jednoduchá, bezpečná a lacná. Emulzné palivá W/D možno používať v kombinácii s akýmikoľvek bežnými naftovými motormi (napr. motormi elektrických generátorov, železničných vozidiel a lodí) bez úprav.

Čo zvyšuje účinnosť palív WiDE? – Jav mikroexplózie

Emulzné palivá typu voda v nafte pozostávajú z častíc vody suspendovaných v kontinuálnej naftovej fáze. Pri spaľovaní dosiahnu jemné kvapôčky vody v emulznom palive prehriaty stav rýchlejšie než nafta a počas spaľovania spôsobia rozpad v dôsledku expanzie pary (spontánnu explóziu), pri ktorom vznikajú veľmi jemné častice. Vďaka zväčšenému povrchu drobných častíc v kombinácii s nasávaným vzduchom sa výrazne zlepšuje miešanie vzduchu a paliva, čím sa zvyšuje účinnosť spaľovania. (Ivanov, Nevedov 1965)

Vysokovýkonné ultrazvukové emulgačné systémy

Hielscher Ultrasonics dodáva vysokovýkonné ultrazvukové procesory na kontinuálnu výrobu vysokokvalitných (nano-)emulzií. Vynikajúci ultrazvukový výkon, robustnosť a malé nároky na priestor robia z ultrazvukových zariadení Hielscher ideálny miešací systém pre emulzné palivá typu voda v nafte. Či už chcete vyrábať emulzné palivá na priame vstrekovanie do spaľovacieho motora alebo stabilné emulzné palivá na skladovanie a neskoršie spaľovanie, Hielscher Ultrasonics má pre vašu aplikáciu najvhodnejšiu zostavu. Od menších ultrazvukových emulgačných systémov na integráciu do železničných lokomotív a vnútrozemských plavidiel až po výrobu veľkých objemov akvapaliva pre elektrárne a obrovské námorné plavidlá – naše zoskupenia ultrazvukových procesorov umožňujú spracovanie emulzného paliva v akomkoľvek objeme.
Okrem vysokého ultrazvukového výkonu, spoľahlivosti a robustnosti možno priemyselné ultrazvukové procesory Hielscher Ultrasonics presne riadiť a monitorovať. Snímače teploty a tlaku prenášajú údaje do generátora, kde sa všetky dôležité procesné parametre, ako sú amplitúda, čistá a celková energia, teplota a tlak, zaznamenávajú na zabudovanú SD kartu. Inteligentné softvérové riadenie umožňuje určiť a nastaviť presné procesné parametre pre štandardizované emulzné palivo s trvalo vysokou kvalitou. Ultrazvukový prietokový reaktor s plášťom možno účinne chladiť, čo umožňuje spracúvať emulziu pri stanovených teplotách. Robustnosť našich ultrazvukových zariadení umožňuje nepretržitú prevádzku 24/7 pri vysokom zaťažení a v náročných prostrediach.
Nasledujúca tabuľka uvádza orientačnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových zariadení: