Ultrazvukové emulzie na spaľovanie vody v nafte

Generátory energie, lodné motory a železničné motory, ktoré sú poháňané naftou, môžu byť prevádzkované efektívnejšie, keď sa použijú emulzie voda v nafte. Emulzné palivá voda-nafta znižujú spotrebu paliva, znižujú teplotu spaľovania, horia čistejšie a znižujú emisie, ako sú NOx a sadze. Ultrazvuková emulgácia je spoľahlivá, jednoduchá a účinná metóda na výrobu vysokokvalitnej vody v nafte.

Ultrazvuková emulgácia vody v nafte

Emulzie voda v nafte (WiDE; W/D emulzné palivo) sú modifikovanou alternatívou motorovej nafty, ktorá obsahuje až 15 % vody. Tiež známe ako aqua-fuel, v emulziách voda-nafta sú kvapky vody ultrazvukovo emulgované do kontinuálnej dieselovej fázy. Intenzívna sonikácia tekutín vytvára akustickú kavitáciu. Kavitačné šmykové sily narúšajú kvapôčky a vytvárajú homogénnu emulziu inak nemiešateľných vodných a naftových fáz.

Emulzia voda v nafte

WiDE (W/D emulzia) je definovaná ako zmes prirodzene nemiešateľných kvapalín vodných kvapiek (dispergovaná/vnútorná fáza) v nafte (kontinuálna/vonkajšia fáza). Emulgátor sa pridáva v nízkych koncentráciách, aby sa zlepšila stabilita emulzií a znížila potreba energie na miešanie.

dvojfázová emulzia

Dvojfázová emulzia popisuje zmes vody v nafte bez použitia akejkoľvek povrchovo aktívnej látky. Pri dvojfázovom WiDE sú prúdy vody a nafty ultrazvukovo emulgované priamo pred motorom. Ultrazvuková dvojfázová emulzia voda v nafte ide priamo z ultrazvukového reaktora prietokových článkov do spaľovacieho motora. Bez povrchovo aktívnej látky nie je emulzia určená na skladovanie, ale na priame spaľovanie.

Prípadová štúdia emulzného paliva voda-nafta

Nastavenie

(2018) študovali účinok emulzného paliva voda v nafte (WiDE) na jednovalcový dieselový motor s priamym vstrekovaním. Voda a nafta boli uskladnené v rôznych jednotkách, z ktorých boli kvantitatívne prenesené do zmiešavacieho systému. Miešací systém pozostával z kombinácie mixéra s vysokým strihom a ultrazvukového homogenizátora. Nožnicový mixér poskytoval surovú predzmes vody a nafty, zatiaľ čo sonikácia sa používala na jemnú rovnomernú emulziu. Emulzia voda-nafta bola pripravená z 5% vody. Homogénne palivo WiDE sa priamo prenášalo zo zmiešavacieho systému do motora. Pripravené palivo WiDE neobsahovalo žiadne povrchovo aktívne látky, preto sa označovalo ako dlhodobo nestabilné emulzné palivo (UW/D). Dieselový motor bol testovaný v štyroch rôznych podmienkach zaťaženia (1 kW (25 %), 2 kW (50 %), 3 kW (74 %), 4 kW (100 %)) a pri konštantných otáčkach 3000 ot./min. S cieľom porovnať účinky, ako je palivový výkon a emisie, sa na rovnakom motore testovalo aj emulzné palivo stabilizované povrchovo aktívnou látkou (stabilná emulzia (SW/D)) a čistá motorová nafta (D2). 5% vody sa používa na nestabilnú emulziu aj stabilnú emulziu.

Výsledky

Test motora ukazuje, že emulzné palivo voda-nafta bez povrchovo aktívnej látky (UW/D) vedie k výraznému zlepšeniu motora s 3,59% zvýšením tepelnej účinnosti bŕzd (BTE) a 3,89% znížením špecifickej spotreby paliva bŕzd (BSFC) v porovnaní s čistou naftou. Emulzné palivá, stabilizované (SW/D) aj nestabilizované (UW/D), zvýšili tepelnú účinnosť motora v dôsledku fenoménu mikrovýbuchu. Fenomén mikrovýbuchu spôsobuje rýchle odparovanie emulgovaných kvapiek vody. Keďže nepatrné kvapôčky vody sú obklopené olejom, intenzívny proces odparovania prudko naruší kvapôčky na veľmi jemné častice, čo podporuje miešanie vzduchu a paliva. Narušenie kvapiek a zmiešanie so vzduchom výrazne zvyšuje účinnosť spaľovania.
Výsledky ukazujú, že koncept výroby a prenosu emulzného paliva voda-nafta v reálnom čase do motora bez použitia povrchovo aktívnej látky funguje veľmi dobre. Okamžitý prenos ultrazvukom pripravenej zmesi vody a nafty eliminuje problém stabilizácie skladovaného emulzného paliva, ako aj závislosť od povrchovo aktívnej látky. Nestabilné emulzné palivo voda-nafta (UW/D) si spoľahlivo udržalo svoju emulznú formu bez toho, aby dosiahlo sedimentačný stupeň do 25 sekúnd (pozri obrázok nižšie).

Kvapôčkové správanie ultrazvukovo emulgovaného emulzného paliva ater-in-diesel v čase a) 10 s, b) 25 s, c) 50 s a d) 132 s. (zväčšenie 1000×) – Ithnin a kol. 2018

V porovnaní s čistou motorovou naftou má emulzné palivo voda v nafte výrazne znížené emisie výfukových plynov oxidov dusíka (NOx) a pevných častíc (PM) s priemerným znížením o 31,66 % a 16,33 %.

Celkovo ultrazvukom pripravené emulzie – či je nestabilný alebo stabilizovaný povrchovo aktívnou látkou – pomáhajú šetriť motorovú naftu a znižujú emisie výfukových plynov.
Ekologickejšie emisie výfukových plynov a úspora paliva s ultrazvukom!

Primárna a sekundárna atomizácia v rozprašovacom plameni emulgovaného paliva.

Ternárna fázová emulzia

Ternárna fázová emulzia, tiež známa ako trojfázová emulzia, pozostáva z vody, oleja a povrchovo aktívnej látky. Počas ultrazvukovej emulgácie vody do dieselovej fázy sa pridáva povrchovo aktívna látka. Emulgátor predlžuje stabilitu emulzie a umožňuje skladovanie vody v motorovej nafte. Stabilita emulzie W/D závisí od emulgátora, parametrov ultrazvukového procesu a teploty. Správnou kombináciou povrchovo aktívnych a sonikačných parametrov je možné dosiahnuť významnú dlhodobú stabilitu WiDE.

Inštalácia a dodatočná montáž ultrazvukového emulgačného systému je jednoduchá, bezpečná a lacná. W/D emulzné palivá je možné použiť v kombinácii s akýmikoľvek konvenčnými dieselovými motormi (napr. generátormi energie, železničnými motormi, lodnými motormi) bez úprav.

Čo robí palivá WiDE efektívnejšími? – Fenomén mikrovýbuchu

Emulzné palivá voda v nafte pozostávajú z suspendovaných častíc vody v kontinuálnej dieselovej fáze. Pri spaľovaní sa jemné kvapky vody v emulznom palive dostanú do fázy prehriatia rýchlejšie ako nafta a počas spaľovania vytvárajú rozpad pary (spontánny výbuch), čím vznikajú veľmi jemné častice. Vďaka zväčšenej ploche drobných častíc v kombinácii so nasávaným vzduchom sa výrazne zlepšuje zmiešanie vzduchu a paliva, čím sa zvyšuje účinnosť spaľovania. (Ivanov, Nevedov 1965)

Vysokovýkonné ultrazvukové emulgačné systémy

Spoločnosť Hielscher Ultrasonics dodáva vysokovýkonné ultrazvukové procesory na nepretržitú výrobu vysokokvalitných (nano)emulzií. Vďaka vynikajúcemu ultrazvukovému výkonu, robustnosti a malým pôdorysu sú ultrazvukové prístroje Hielscher ideálnym zmiešavacím systémom pre emulzné palivá 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 najvhodnejšie nastavenie pre vašu aplikáciu. Od menších ultrazvukových emulzných systémov na integráciu do železničných lokomotív a vnútrozemských námorných plavidiel až po výrobu veľkých objemov vodného paliva pre elektrárne a obrovské námorné plavidlá – Naše zhluky ultrazvukových procesorov umožňujú spracovanie emulzného paliva akéhokoľvek objemu.
Okrem vysokého ultrazvukového výkonu, spoľahlivosti a robustnosti, Hielscher Ultrasonics’ Priemyselné ultrazvukové procesory je možné presne riadiť a monitorovať. Snímače teploty a tlaku prenášajú údaje do generátora, kde sa na vstavanú SD kartu zaznamenávajú všetky dôležité parametre procesu, ako je amplitúda, čistá a celková energia, teplota a tlak. Inteligentné softvérové riadenie umožňuje stanoviť a nastaviť presné parametre procesu pre štandardizované emulzné palivo nepretržite vysokej kvality. Plášťový ultrazvukový prietokový reaktor je možné účinne chladiť a umožniť spracovanie emulzie pri špecifikovaných teplotách. Robustnosť našich ultrazvukových zariadení umožňuje prevádzku 24 hodín denne, 7 dní v týždni pri náročných nákladoch a v náročných prostrediach.
Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov: