Ултразвучне емулзије воде у дизелу за сагоревање

Генератори електричне енергије, бродски мотори и мотори железничких возила који користе дизел као гориво могу да раде ефикасније када се користе емулзије воде у дизелу. Емулзиона горива од воде и дизела смањују потрошњу горива, снижавају температуру сагоревања, сагоревају чистије и смањују емисије, попут NOx и чађи. Ултразвучно емулговање је поуздана, једноставна и делотворна метода за производњу висококвалитетних горива са водом у дизелу.

Ултразвучно емулговање воде у дизелу

Емулзије воде у дизелу (WiDE; емулзионо гориво W/D) представљају модификовану алтернативу дизел гориву која садржи до 15% воде. У емулзијама воде и дизела, познатим и као аквагорива, капљице воде се ултразвучно емулгују у континуалној дизел фази. Интензивна соникација течности ствара акустичку кавитацију. Кавитационе силе смицања разбијају капљице и стварају хомогену емулзију иначе немешљивих фаза воде и дизела.

Емулзија воде у дизелу

WiDE (емулзија W/D) дефинише се као мешавина природно немешљивих течности у којој су капљице воде (диспергована/унутрашња фаза) распоређене у дизелу (континуална/спољашња фаза). Емулгатор се додаје у ниским концентрацијама како би се побољшала стабилност емулзије и смањила потребна енергија за мешање.

Двофазна емулзија

Двофазна емулзија означава мешавину воде у дизелу без употребе било какве површински активне материје. За двофазну WiDE, доводни токови воде и дизела ултразвучно се емулгују непосредно испред мотора. Ултразвучно добијена двофазна емулзија воде у дизелу прелази директно из ултразвучног реактора са проточном ћелијом у мотор са унутрашњим сагоревањем. Без површински активне материје, емулзија је намењена непосредном сагоревању, а не складиштењу.

Студија случаја емулзионог горива од воде и дизела

Експериментална поставка

Ithnin и сар. (2018) испитивали су утицај емулзионог горива са водом у дизелу (WiDE) на једноцилиндрични дизел мотор са директним убризгавањем. Вода и дизел чувани су у одвојеним посудама, из којих су квантитативно преношени у систем за мешање. Систем за мешање састојао се од комбинације мешалице са високим смицањем и ултразвучног хомогенизатора. Мешалица са смицањем обезбеђивала је грубу предмешавину воде и дизела, док је соникација коришћена за добијање уједначене емулзије са ситним капљицама. Емулзија воде и дизела припремљена је са 5% воде. Хомогено гориво WiDE преношено је директно из система за мешање у мотор. Припремљено гориво WiDE није садржало површински активне материје, па је означено као емулзионо гориво које је нестабилно на дужи рок (UW/D). Дизел мотор је испитан при четири различита оптерећења (1 kW (25%), 2 kW (50%), 3 kW (74%), 4 kW (100%)) и при константној брзини обртања од 3000 rpm. Ради поређења ефеката, попут перформанси горива и емисија, на истом мотору испитани су и емулзионо гориво стабилизовано површински активном материјом (стабилна емулзија (SW/D)) и чисто дизел гориво (D2). И за нестабилну и за стабилну емулзију користи се 5% воде.

Резултати

Испитивање мотора показује да емулзионо гориво вода у дизелу без површински активне материје (UW/D) доводи до значајног побољшања рада мотора, уз повећање ефективног термичког степена корисности (BTE) за 3,59% и смањење ефективне специфичне потрошње горива (BSFC) за 3,89% у поређењу са чистим дизел горивом. Емулзиона горива, и стабилизована (SW/D) и нестабилизована (UW/D), повећала су термички степен корисности мотора услед појаве микроексплозије. Појава микроексплозије изазива нагло испаравање емулгованих капљица воде. Пошто су ситне капљице воде окружене уљем, интензиван процес испаравања нагло разбија капљице на веома ситне честице, што поспешује мешање ваздуха и горива. Разбијање капљица и мешање са ваздухом значајно повећавају ефикасност сагоревања.
Резултати показују да концепт производње и довођења емулзионог горива вода у дизелу у мотор у реалном времену, без употребе површински активне материје, функционише веома добро. Непосредно довођење ултразвучно припремљене смеше воде и дизела отклања проблем стабилизације емулзионог горива при складиштењу, као и зависност од површински активне материје. Нестабилно емулзионо гориво вода у дизелу (UW/D) поуздано је задржало свој емулзиони облик, без достизања фазе таложења током 25 секунди (видети слику испод).

Понашање капљица ултразвучно емулгованог емулзионог горива вода у дизелу током времена: a) 10 s, b) 25 s, c) 50 s и d) 132 s. (увећање 1000×) – Ithnin и сар. 2018

У поређењу са чистим дизел горивом, емулзионо гориво вода у дизелу има значајно мању емисију азотних оксида (NOx) и честица (PM) у издувним гасовима, са просечним смањењем од 31,66% и 16,33%, редом.

Свеукупно, ултразвучно припремљене емулзије – било нестабилне или стабилизоване површински активном материјом – помажу у уштеди дизел горива и смањењу емисија издувних гасова.
Еколошки прихватљивије емисије издувних гасова и уштеда горива уз ултразвук!

Примарно и секундарно распршивање у пламену распршеног емулгованог горива.

Трофазна емулзија

Тернарна емулзија, позната и као трофазна емулзија, састоји се од воде, уља и површински активне материје. Током ултразвучног емулговања воде у дизел фази додаје се површински активна материја. Емулгатор продужава стабилност емулзије и омогућава складиштење горива вода у дизелу. Стабилност W/D емулзије зависи од емулгатора, параметара ултразвучног процеса и температуре. Одговарајућом комбинацијом површински активне материје и параметара соникације може се постићи значајна дугорочна стабилност WiDE.

Уградња и накнадна уградња ултразвучног система за емулговање једноставне су, безбедне и јефтине. W/D емулзиона горива могу се користити са свим конвенционалним дизел моторима (нпр. у електричним генераторима, железничким и бродским моторима) без модификација.

Шта чини WiDE горива ефикаснијим? – Појава микроексплозије

Емулзиона горива вода у дизелу састоје се од честица воде суспендованих у континуалној дизел фази. При сагоревању, ситне капљице воде у емулзионом гориву достижу прегрејано стање брже од дизела и током сагоревања изазивају распадање услед ширења паре (спонтану експлозију), при чему настају веома ситне честице. Због повећане површине ситних честица у додиру са усисним ваздухом, мешање ваздуха и горива значајно се побољшава, чиме се повећава ефикасност сагоревања. (Ivanov, Nevedov 1965)

Ултразвучни системи високих перформанси за емулговање

Hielscher Ultrasonics испоручује ултразвучне процесоре високих перформанси за континуалну производњу висококвалитетних (нано-)емулзија. Врхунске ултразвучне перформансе, робусност и мали просторни захтеви чине Hielscher ултразвучне уређаје идеалним системом за мешање при производњи емулзионих горива типа вода у дизелу. Било да желите да производите емулзиона горива за директно убризгавање у мотор са унутрашњим сагоревањем или стабилна емулзиона горива за складиштење и касније сагоревање, Hielscher Ultrasonics има најпогоднију конфигурацију за вашу примену. Од мањих ултразвучних система за емулговање намењених уградњи у железничке локомотиве и пловила за унутрашње пловне путеве до производње великих запремина аквагорива за електране и огромна поморска пловила – наше групе ултразвучних процесора омогућавају обраду емулзионог горива било које запремине.
Поред велике ултразвучне излазне снаге, поузданости и робусности, индустријски ултразвучни процесори компаније Hielscher Ultrasonics омогућавају прецизно управљање и праћење. Сензори температуре и притиска преносе податке генератору, где се сви важни процесни параметри, као што су амплитуда, нето и укупна енергија, температура и притисак, бележе на уграђену SD картицу. Интелигентно софтверско управљање омогућава утврђивање и подешавање тачних процесних параметара за стандардизовано емулзионо гориво стално високог квалитета. Ултразвучни проточни реактор са плаштом може се ефикасно хладити и омогућава обраду емулзије на задатим температурама. Робусност наше ултразвучне опреме омогућава рад 24/7 при великим оптерећењима и у захтевним окружењима.
Табела у наставку даје преглед приближног капацитета обраде наших ултразвучних уређаја: