Ultrazvočne emulzije za zgorevanje vode v dizelskem gorivu

Generatorji električne energije, ladijski motorji in železniški motorji, ki jih poganja dizelsko gorivo, lahko delujejo učinkoviteje, če se uporabljajo emulzije voda v dizelskem gorivu. Vodno-dizelska emulzijska goriva zmanjšujejo porabo goriva, znižujejo temperaturo zgorevanja, kurijo čisteje in zmanjšujejo emisije, kot so NOx in saje. Ultrazvočna emulzifikacija je zanesljiva, preprosta in učinkovita metoda za proizvodnjo visokokakovostnih goriv iz vode v dizelskem gorivu.

Ultrazvočna emulgacija vode v dizelskem gorivu

Emulzije vode v dizelskem gorivu (WiDE; W/D emulzijsko gorivo) so modificirana alternativa dizelskemu gorivu, ki vsebuje do 15% vode. Znano tudi kot vodno gorivo, v vodno-dizelskih emulzijah se vodne kapljice ultrazvočno emulgirajo v neprekinjeno dizelsko fazo. Intenzivno ultrazvočno razbijanje tekočin ustvarja akustično kavitacijo. Kavitacijske strižne sile motijo kapljice in proizvajajo homogeno emulzijo sicer nemešanih vodnih in dizelskih faz.

Emulzija voda v dizelskem gorivu

WiDE (emulzija W/D) je opredeljena kot mešanica naravno nemešajočih se tekočin vodnih kapljic (dispergirana/notranja faza) v dizelskem gorivu (zvezna/zunanja faza). Emulgatorsko sredstvo se doda v nizkih koncentracijah, da se izboljša stabilnost emulzij in zmanjša potreba po energiji za mešanje.

dvofazna emulzija

Dvofazna emulzija opisuje mešanico vode v dizelskem gorivu brez uporabe površinsko aktivne snovi. Za dvofazni WiDE so vodni in dizelski tokovi ultrazvočno emulgirani tik pred motorjem. Ultrazvočna dvofazna emulzija vode v dizelskem gorivu gre neposredno iz ultrazvočnega reaktorja pretočnih celic v motor z notranjim zgorevanjem. Brez površinsko aktivne snovi emulzija ni narejena za shranjevanje, temveč za neposredno zgorevanje.

Študija primera vodno-dizelskega emulzijskega goriva

Namestitev

(2018) so preučevali učinek emulzijskega goriva voda v dizelskem gorivu (WiDE) na dizelski motor z enim valjem z neposrednim vbrizgavanjem. Voda in dizelsko gorivo sta bila shranjena v različnih enotah, iz katerih sta bila kvantitativno prenesena v mešalni sistem. Mešalni sistem je bil sestavljen iz kombinacije mešalnika z visokim strižjem in ultrazvočnega homogenizatorja. Strižni mešalnik je zagotovil surovo mešanico vode in dizelskega goriva, medtem ko je bila ultrazvočna razbijanja uporabljena za fino velikost, enakomerno emulzijo. Emulzija voda-dizelsko gorivo je bila pripravljena s 5% vode. Homogeno gorivo WiDE je bilo neposredno preneseno iz mešalnega sistema v motor. Pripravljeno gorivo WiDE ni vsebovalo nobenih površinsko aktivnih snovi, zato je bilo označeno kot dolgoročno nestabilno emulzijsko gorivo (UW/D). Dizelski motor je bil preizkušen v štirih različnih pogojih obremenitve (1 kW (25%), 2 kW (50%), 3 kW (74%), 4 kW (100%)) in s konstantno hitrostjo 3000 vrt./min. Da bi primerjali učinke, kot so zmogljivost goriva in emisije, so na istem motorju testirali tudi emulzijsko gorivo, stabilizirano s površinsko aktivno snovjo (stabilna emulzija (SW/D)) in čisto dizelsko gorivo (D2). 5% vode se uporablja tako za nestabilno emulzijo kot za stabilno emulzijo.

Rezultati

Preskus motorja kaže, da vodno-dizelsko emulzijsko gorivo brez površinsko aktivne snovi (UW/D) povzroči znatno izboljšanje motorja s 3,59-odstotnim povečanjem toplotne učinkovitosti zavor (BTE) in 3,89-odstotnim zmanjšanjem specifične porabe goriva pri zavor (BSFC) v primerjavi s čistim dizelskim gorivom. Emulzijska goriva, stabilizirana (SW/D) in nestabilizirana (UW/D), so povečala toplotno učinkovitost motorja zaradi pojava mikroeksplozije. Pojav mikroeksplozije povzroči hitro izhlapevanje emulgiranih vodnih kapljic. Ker so majhne vodne kapljice obdane z oljem, intenziven proces izhlapevanja močno prekine kapljice v zelo fine delce, kar spodbuja mešanje zraka in goriva. Prekinitev kapljic in mešanje z zrakom znatno poveča učinkovitost zgorevanja.
Rezultati kažejo, da koncept proizvodnje in prenosa vodno-dizelskega emulzijskega goriva v realnem času v motor brez uporabe površinsko aktivne snovi deluje zelo dobro. Takojšen prenos ultrazvočno pripravljene mešanice vode in dizelskega goriva odpravlja problem stabilizacije shranjenega emulzijskega goriva in odvisnost od površinsko aktivne snovi. Nestabilno vodno-dizelsko emulzijsko gorivo (UW/D) je zanesljivo ohranilo svojo emulzijsko obliko, ne da bi v 25 sekundah doseglo stopnjo sedimentacije (glej sliko spodaj).

Kapljicsko obnašanje ultrazvočno emulgiranega emulzijskega goriva ater-in-dizel v času a) 10 s, b) 25 s, c) 50 s in d) 132 s. (povečava 1000×) – Ithnin et al. 2018

V primerjavi s čistim dizelskim gorivom ima emulzijsko gorivo voda v dizelskem gorivu znatno zmanjšane emisije dušikovih oksidov (NOx) in trdnih delcev (PM) s povprečnim zmanjšanjem za 31,66% oziroma 16,33%.

Na splošno ultrazvočno pripravljene emulzije – ali je nestabilen ali stabiliziran s površinsko aktivno snovjo – pomagajo varčevati z dizelskim gorivom in zmanjšati emisije izpušnih plinov.
Okolju prijaznejše emisije izpušnih plinov in prihranki goriva z ultrazvokom!

Primarna in sekundarna atomizacija emulgiranega goriva v razpršilnem plamenu.

Emulzija trikratne faze

Trikomponentna fazna emulzija, znana tudi kot trifazna emulzija, je sestavljena iz vode, olja in površinsko aktivne snovi. Med ultrazvočno emulgacijo vode v dizelsko fazo se doda površinsko aktivna snov. Emulgatorsko sredstvo podaljša stabilnost emulzije in omogoča shranjevanje vode v dizelskem gorivu. Stabilnost W / D emulzije je odvisna od emulgatorja, ultrazvočnih procesnih parametrov in temperature. S pravo kombinacijo površinsko aktivnih in ultrazvočnih parametrov je mogoče doseči pomembno dolgoročno stabilnost WiDE.

Namestitev in naknadna namestitev ultrazvočnega emulzifikacijskega sistema je preprosta, varna in poceni. W/D emulzijska goriva se lahko uporabljajo v kombinaciji s katerim koli običajnim dizelskim motorjem (npr. generatorji energije, železniški motorji, ladijski motorji) brez sprememb.

Zakaj so goriva WiDE učinkovitejša? – Pojav mikroeksplozije

Emulzijska goriva z vodo v dizelju so sestavljena iz suspendiranih vodnih delcev v neprekinjeni dizelski fazi. Pri zgorevanju drobne vodne kapljice v emulzijskem gorivu dosežejo stopnjo pregrevanja hitreje kot dizelsko gorivo in med zgorevanjem ustvarijo razpad raztezanja pare (spontana eksplozija), pri čemer nastanejo zelo drobni delci. Zaradi povečane površine drobnih delcev v kombinaciji z dosanim zrakom se mešanica zraka in goriva bistveno izboljša in s tem poveča učinkovitost zgorevanja. (Ivanov, Nevedov 1965)

Visoko zmogljivi ultrazvočni emulzifikacijski sistemi

Hielscher Ultrasonics dobavlja visoko zmogljive ultrazvočne procesorje za neprekinjeno proizvodnjo visokokakovostnih (nano) emulzij. Vrhunska ultrazvočna zmogljivost, robustnost in majhen odtis naredijo Hielscher Ultrasonicators idealen mešalni sistem za emulzijska goriva z vodo v dizelskem gorivu. Ne glede na to, ali želite proizvajati emulzijska goriva za neposredno vbrizgavanje v motor z notranjim zgorevanjem ali stabilna emulzijska goriva za shranjevanje in kasnejše zgorevanje, ima Hielscher Ultrasonics najprimernejšo nastavitev za vašo aplikacijo. Od manjših ultrazvočnih emulzijskih sistemov za integracijo v železniške lokomotive in plovila na celinskih plovnih poteh do ustvarjanja velikih količin vodnega goriva za elektrarne in velika pomorska plovila – Naši grozdi ultrazvočnih procesorjev omogočajo predelavo emulzijskega goriva katerega koli volumna.
Poleg visokega ultrazvočnega izhoda, zanesljivosti in robustnosti, Hielscher Ultrasonics’ Industrijske ultrazvočne procesorje je mogoče natančno nadzorovati in spremljati. Senzorji temperature in tlaka prenašajo podatke v generator, kjer se na vgrajeno kartico SD zabeležijo vsi pomembni procesni parametri, kot so amplituda, neto in skupna energija, temperatura in tlak. Inteligentno krmiljenje programske opreme omogoča vzpostavitev in nastavitev natančnih procesnih parametrov za standardizirano emulzijsko gorivo stalno visoke kakovosti. Ultrazvočni pretočni reaktor se lahko učinkovito ohladi in omogoči obdelavo emulzije pri določenih temperaturah. Robustnost naše ultrazvočne opreme omogoča 24/7 delovanje pri težkih obremenitvah in v zahtevnih okoljih.
Spodnja tabela vam prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih aparatov: