Ultrazvočne emulzije za zgorevanje vode v dizelskem gorivu

Električni generatorji, ladijski motorji in motorji železniških vozil, ki uporabljajo dizelsko gorivo, lahko z uporabo emulzij vode v dizelskem gorivu delujejo učinkoviteje. Emulzijska goriva iz vode in dizelskega goriva zmanjšujejo porabo goriva, znižujejo temperaturo zgorevanja, zgorevajo čisteje in zmanjšujejo emisije, kot so NOx in saje. Ultrazvočno emulgiranje je zanesljiva, preprosta in učinkovita metoda za proizvodnjo visokokakovostnih goriv z vodo v dizelskem gorivu.

Ultrazvočno emulgiranje vode v dizelskem gorivu

Emulzije vode v dizelskem gorivu (WiDE; emulzijsko gorivo W/D) so alternativna oblika modificiranega dizelskega goriva, ki vsebuje do 15% vode. Pri teh emulzijah, znanih tudi kot akvagorivo, se vodne kapljice ultrazvočno emulgirajo v kontinuirano fazo dizelskega goriva. Intenzivna sonikacija tekočin povzroča akustično kavitacijo. Kavitacijske strižne sile razbijajo kapljice in tvorijo homogeno emulzijo sicer nemešljivih faz vode in dizelskega goriva.

Emulzija vode v dizelskem gorivu

WiDE (emulzija W/D) je opredeljena kot zmes naravno nemešljivih tekočin, pri kateri so vodne kapljice (dispergirana/notranja faza) v dizelskem gorivu (kontinuirana/zunanja faza). Za izboljšanje stabilnosti emulzije in zmanjšanje potrebne energije za mešanje se v nizkih koncentracijah dodaja emulgator.

Dvofazna emulzija

Dvofazna emulzija opisuje zmes vode v dizelskem gorivu brez uporabe kakršne koli površinsko aktivne snovi. Pri dvofazni emulziji WiDE se dovodna tokova vode in dizelskega goriva ultrazvočno emulgirata neposredno pred motorjem. Ultrazvočno pripravljena dvofazna emulzija vode v dizelskem gorivu teče neposredno iz ultrazvočnega reaktorja s pretočno celico v motor z notranjim zgorevanjem. Brez površinsko aktivne snovi emulzija ni namenjena shranjevanju, temveč neposrednemu zgorevanju.

Študija primera emulzijskega goriva iz vode in dizelskega goriva

Eksperimentalna postavitev

Ithnin et al. (2018) so preučevali vpliv emulzijskega goriva z vodo v dizelskem gorivu (WiDE) na enovaljni dizelski motor z neposrednim vbrizgavanjem. Voda in dizelsko gorivo sta bila shranjena v ločenih enotah, iz katerih sta bila kvantitativno prenesena v mešalni sistem. Mešalni sistem je sestavljala kombinacija mešalnika z visokim strigom in ultrazvočnega homogenizatorja. Strižni mešalnik je pripravil grobo predmešanico vode in dizelskega goriva, sonikacija pa je bila uporabljena za pripravo enakomerne emulzije z drobnimi kapljicami. Emulzija vode in dizelskega goriva je bila pripravljena s 5% vode. Homogeno gorivo WiDE je bilo preneseno neposredno iz mešalnega sistema v motor. Pripravljeno gorivo WiDE ni vsebovalo nobenih površinsko aktivnih snovi, zato je bilo poimenovano dolgoročno nestabilno emulzijsko gorivo (UW/D). Dizelski motor je bil preizkušen pri štirih različnih obremenitvah (1 kW (25%), 2 kW (50%), 3 kW (74%), 4 kW (100%)) in pri konstantni vrtilni hitrosti 3000 rpm. Za primerjavo učinkov, kot so učinkovitost goriva in emisije, sta bila na istem motorju preizkušena tudi emulzijsko gorivo, stabilizirano s površinsko aktivno snovjo (stabilna emulzija (SW/D)), in čisto dizelsko gorivo (D2). Tako pri nestabilni kot pri stabilni emulziji se uporablja 5% vode.

Rezultati

Preizkus motorja kaže, da emulzijsko gorivo iz vode in dizelskega goriva brez površinsko aktivne snovi (UW/D) znatno izboljša delovanje motorja, saj se v primerjavi s čistim dizelskim gorivom efektivni toplotni izkoristek (BTE) poveča za 3,59%, efektivna specifična poraba goriva (BSFC) pa zmanjša za 3,89%. Emulzijski gorivi, tako stabilizirano (SW/D) kot nestabilizirano (UW/D), sta zaradi pojava mikroeksplozije povečali toplotni izkoristek motorja. Pojav mikroeksplozije povzroči hitro izparevanje emulgiranih vodnih kapljic. Ker so drobne vodne kapljice obdane z oljem, jih intenzivno izparevanje silovito razbije na zelo drobne delce, kar spodbuja mešanje zraka in goriva. Razbijanje kapljic in mešanje z zrakom znatno povečata učinkovitost zgorevanja.
Rezultati kažejo, da koncept proizvodnje in prenosa emulzijskega goriva iz vode in dizelskega goriva v motor v realnem času brez uporabe površinsko aktivne snovi deluje zelo dobro. Takojšnji prenos ultrazvočno pripravljene zmesi vode in dizelskega goriva odpravi težavo stabilizacije shranjenega emulzijskega goriva in odvisnost od površinsko aktivne snovi. Nestabilno emulzijsko gorivo iz vode in dizelskega goriva (UW/D) je zanesljivo ohranilo emulzijsko obliko, ne da bi v 25sec prešlo v fazo sedimentacije (glejte spodnjo sliko).

Obnašanje kapljic ultrazvočno emulgiranega goriva z vodo v dizelskem gorivu skozi čas: 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 z vodo v dizelskem gorivu znatno nižje emisije dušikovih oksidov (NOx) in trdnih delcev (PM) v izpušnih plinih, s povprečnim zmanjšanjem za 31,66% oziroma 16,33%.

Na splošno ultrazvočno pripravljene emulzije – bodisi nestabilne bodisi stabilizirane s površinsko aktivno snovjo – pomagajo prihraniti dizelsko gorivo in zmanjšati emisije izpušnih plinov.
Okolju prijaznejše emisije izpušnih plinov in prihranek goriva z ultrazvokom!

Primarna in sekundarna atomizacija v plamenu razpršenega emulgiranega goriva.

Trifazna emulzija

Trifazna emulzija, znana tudi kot emulzija treh faz, je sestavljena iz vode, olja in površinsko aktivne snovi. Med ultrazvočnim emulgiranjem vode v fazo dizelskega goriva se dodaja površinsko aktivna snov. Emulgator podaljša stabilnost emulzije in omogoča shranjevanje goriva z vodo v dizelskem gorivu. Stabilnost emulzije W/D je odvisna od emulgatorja, parametrov ultrazvočnega procesa in temperature. S pravilno kombinacijo površinsko aktivne snovi in parametrov sonikacije je mogoče doseči znatno dolgoročno stabilnost emulzije WiDE.

Namestitev in naknadna vgradnja ultrazvočnega emulgirnega sistema sta preprosti, varni in poceni. Emulzijska goriva W/D se lahko uporabljajo s katerimi koli običajnimi dizelskimi motorji (npr. električnimi generatorji, motorji železniških vozil, ladijskimi motorji) brez predelav.

Zakaj so goriva WiDE učinkovitejša? – Pojav mikroeksplozije

Emulzijska goriva z vodo v dizelskem gorivu vsebujejo suspendirane vodne delce v kontinuirani fazi dizelskega goriva. Med zgorevanjem drobne vodne kapljice v emulzijskem gorivu dosežejo pregreto stanje hitreje kot dizelsko gorivo in zaradi raztezanja pare povzročijo razpad (spontano eksplozijo), pri čemer nastanejo zelo drobni delci. Zaradi povečane površine drobnih delcev v kombinaciji z vsesanim zrakom se mešanje zraka in goriva znatno izboljša, s čimer se poveča učinkovitost zgorevanja. (Ivanov, Nevedov 1965)

Visokozmogljivi ultrazvočni emulgirni sistemi

Hielscher Ultrasonics dobavlja visokozmogljive ultrazvočne procesorje za neprekinjeno proizvodnjo visokokakovostnih (nano-)emulzij. Zaradi vrhunske ultrazvočne zmogljivosti, robustnosti in majhne tlorisne površine so ultrazvočne naprave Hielscher 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 poznejše zgorevanje, ima Hielscher Ultrasonics najprimernejšo postavitev za vašo uporabo. Od manjših ultrazvočnih emulgirnih sistemov za vgradnjo v železniške lokomotive in plovila na celinskih vodah do proizvodnje velikih količin akvagoriva za elektrarne in ogromna morska plovila – naši sklopi ultrazvočnih procesorjev omogočajo obdelavo emulzijskega goriva v poljubni količini.
Poleg visoke ultrazvočne izhodne moči, zanesljivosti in robustnosti omogočajo industrijski ultrazvočni procesorji Hielscher Ultrasonics tudi natančno krmiljenje in spremljanje. Senzorji temperature in tlaka prenašajo podatke v generator, kjer se vsi pomembni procesni parametri, kot so amplituda, neto in skupna energija, temperatura in tlak, zapisujejo na vgrajeno kartico SD. Inteligentno programsko krmiljenje omogoča določitev in nastavitev natančnih procesnih parametrov za standardizirano emulzijsko gorivo s stalno visoko kakovostjo. Ultrazvočni pretočni reaktor s plaščem je mogoče učinkovito hladiti, kar omogoča obdelavo emulzije pri določenih temperaturah. Robustnost naše ultrazvočne opreme omogoča delovanje 24/7 pri velikih obremenitvah in v zahtevnih okoljih.
Spodnja tabela prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih naprav: