Ultraljudsframställda emulsioner för förbränning av vatten-i-diesel

Dieseldrivna elgeneratorer, fartygsmotorer och järnvägsmotorer kan drivas effektivare när vatten-i-diesel-emulsioner används. Emulsionsbränslen av vatten och diesel minskar bränsleförbrukningen, sänker förbränningstemperaturen, förbränns renare och minskar utsläpp av exempelvis NOx och sot. Ultraljudsemulgering är en tillförlitlig, enkel och effektiv metod för att framställa högkvalitativa vatten-i-diesel-bränslen.

Ultraljudsemulgering av vatten i diesel

Vatten-i-diesel-emulsioner (WiDE; W/D-emulsionsbränsle) är ett modifierat dieselbränslealternativ som innehåller upp till 15% vatten. I vatten-diesel-emulsioner, även kända som aquabränslen, emulgeras vattendroppar med ultraljud i den kontinuerliga dieselfasen. Intensiv ultraljudsbehandling av vätskor genererar akustisk kavitation. Skjuvkrafter från kavitationen bryter sönder droppar och ger en homogen emulsion av de annars oblandbara vatten- och dieselfaserna.

Vatten-i-diesel-emulsion

WiDE (W/D-emulsion) definieras som en blandning av de naturligt oblandbara vätskorna, med vattendroppar (dispergerad/inre fas) i diesel (kontinuerlig/yttre fas). Ett emulgeringsmedel tillsätts i låga koncentrationer för att förbättra emulsionens stabilitet och minska energibehovet vid blandningen.

Tvåfasemulsion

En tvåfasemulsion beskriver blandningen av vatten i diesel utan användning av något ytaktivt ämne. För en tvåfas-WiDE emulgeras matningsströmmarna av vatten och diesel med ultraljud omedelbart före motorn. Den ultraljudsframställda tvåfasemulsionen av vatten i diesel går direkt från ultraljudsreaktorn med flödescell till förbränningsmotorn. Utan ytaktivt ämne är emulsionen avsedd för direkt förbränning och inte för lagring.

Fallstudie av emulsionsbränsle av vatten och diesel

Försöksuppställningen

Ithnin et al. (2018) studerade effekten av vatten-i-diesel-emulsionsbränsle (WiDE) på en encylindrig dieselmotor med direktinsprutning. Vatten och diesel lagrades i separata enheter, varifrån de överfördes kvantitativt till ett blandningssystem. Blandningssystemet bestod av en kombination av en högskjuvblandare och en ultraljudshomogenisator. Skjuvblandaren gav en grov förblandning av vatten och diesel, medan ultraljudsbehandlingen användes för att åstadkomma en finfördelad, enhetlig emulsion. Vatten-diesel-emulsionen framställdes med 5% vatten. Det homogena WiDE-bränslet överfördes direkt från blandningssystemet till motorn. Det framställda WiDE-bränslet innehöll inga ytaktiva ämnen och betecknades därför som ett på lång sikt instabilt emulsionsbränsle (UW/D). Dieselmotorn testades vid fyra olika belastningar (1 kW (25%), 2 kW (50%), 3 kW (74%), 4 kW (100%)) och med ett konstant varvtal på 3000 rpm. För att jämföra effekter såsom bränsleprestanda och utsläpp testades även ett emulsionsbränsle stabiliserat med ytaktivt ämne (stabil emulsion (SW/D)) och rent dieselbränsle (D2) i samma motor. 5% vatten används i både den instabila och den stabila emulsionen.

Resultaten

Motortestet visar att vatten-dieselemulsionsbränsle utan tensid (UW/D) ger en betydande förbättring av motorns prestanda med en ökning av den effektiva termiska verkningsgraden (BTE) med 3,59% och en minskning av den bromsspecifika bränsleförbrukningen (BSFC) med 3,89% jämfört med rent dieselbränsle. Emulsionsbränslena, både stabiliserade (SW/D) och ostabiliserade (UW/D), ökade motorns termiska verkningsgrad tack vare mikroexplosionsfenomenet. Mikroexplosionsfenomenet orsakar en snabb förångning av emulgerade vattendroppar. Eftersom de mycket små vattendropparna är omgivna av olja sönderdelar den intensiva förångningsprocessen dropparna våldsamt till mycket fina partiklar, vilket främjar blandningen av luft och bränsle. Sönderdelningen av dropparna och blandningen med luft ökar förbränningsverkningsgraden avsevärt.
Resultaten visar att konceptet att framställa vatten-dieselemulsionsbränslet och överföra det till motorn i realtid utan att använda tensid fungerar mycket bra. Den omedelbara överföringen av den ultraljudsberedda vatten-dieselblandningen eliminerar stabiliseringsproblemet för lagrat emulsionsbränsle liksom beroendet av tensid. Instabilt vatten-dieselemulsionsbränsle (UW/D) bibehöll tillförlitligt sin emulsionsform utan att nå sedimentationsstadiet inom 25sec (se bilden nedan).

Droppbeteende över tid hos ultraljudsemulgerat vatten-i-diesel-emulsionsbränsle a) 10 s, b) 25 s, c) 50 s och d) 132 s. (förstoring 1000×) – Ithnin et al. 2018

Jämfört med rent dieselbränsle ger vatten-i-diesel-emulsionsbränslet avsevärt lägre avgasutsläpp av kväveoxider (NOx) och partiklar (PM), med en genomsnittlig minskning på 31,66% respektive 16,33%.

Sammantaget bidrar ultraljudsberedda emulsioner – oavsett om de är instabila eller stabiliserade med tensid – till att spara dieselbränsle och minska avgasutsläppen.
Miljövänligare avgasutsläpp och bränslebesparingar med ultraljud!

Primär och sekundär finfördelning i en sprayflamma av emulgerat bränsle.

Trefasemulsion

En ternär emulsion, även kallad trefasemulsion, består av vatten, olja och en tensid. Under ultraljudsemulgeringen av vattnet i dieselfasen tillsätts en tensid. Emulgeringsmedlet förlänger emulsionens stabilitet och gör det möjligt att lagra vatten-i-diesel-bränslet. W/D-emulsionens stabilitet beror på emulgeringsmedlet, ultraljudsprocessens parametrar och temperaturen. Med rätt kombination av tensid och ultraljudsbehandlingsparametrar kan en betydande långtidsstabilitet hos WiDE uppnås.

Installation och eftermontering av ett ultraljudsemulgeringssystem är enkelt, säkert och billigt. W/D-emulsionsbränslen kan användas med alla konventionella dieselmotorer (t.ex. elgeneratorer, järnvägsmotorer och fartygsmotorer) utan modifiering.

Vad gör WiDE-bränslen effektivare? – Mikroexplosionsfenomenet

Vatten-i-diesel-emulsionsbränslen består av suspenderade vattenpartiklar i en kontinuerlig dieselfas. Vid förbränning når de fina vattendropparna i emulsionsbränslet sitt överhettade tillstånd snabbare än dieseln och orsakar en sönderdelning genom ångexpansion (spontan explosion) under förbränningen, vilket bildar mycket fina partiklar. Tack vare de mycket små partiklarnas ökade yta i kombination med insugningsluften förbättras blandningen av luft och bränsle avsevärt, vilket därmed ökar förbränningsverkningsgraden. (Ivanov, Nevedov 1965)

Högpresterande ultraljudsemulgeringssystem

Hielscher Ultrasonics levererar högpresterande ultraljudsprocessorer för kontinuerlig produktion av högkvalitativa (nano-)emulsioner. Överlägsen ultraljudsprestanda, robusthet och ett litet utrymmesbehov gör Hielscher Ultrasonicators till det idealiska blandningssystemet för emulsionsbränslen av vatten i diesel. Oavsett om du vill producera emulsionsbränslen för direktinsprutning i en förbränningsmotor eller stabila emulsionsbränslen för lagring och senare förbränning har Hielscher Ultrasonics den mest lämpliga systemkonfigurationen för din tillämpning. Från mindre ultraljudssystem för emulgering avsedda för integrering i järnvägslok och fartyg för inre vattenvägar till produktion av stora volymer vattenhaltigt bränsle för kraftverk och mycket stora fartyg – våra kluster av ultraljudsprocessorer möjliggör bearbetning av emulsionsbränsle i valfri volym.
Utöver hög ultraljudseffekt, tillförlitlighet och robusthet erbjuder Hielscher Ultrasonics industriella ultraljudsprocessorer exakt styrning och övervakning. Temperatur- och trycksensorer överför data till generatorn, där alla viktiga processparametrar såsom amplitud, nettoenergi och total energi, temperatur och tryck registreras på ett inbyggt SD-kort. Den intelligenta programvarustyrningen gör det möjligt att fastställa och ställa in exakta processparametrar för ett standardiserat emulsionsbränsle med genomgående hög kvalitet. Den mantlade ultraljudsflödesreaktorn kan kylas effektivt och gör det möjligt att bearbeta emulsionen vid specificerade temperaturer. Vår ultraljudsutrustnings robusthet möjliggör drift dygnet runt, sju dagar i veckan, vid hög belastning och i krävande miljöer.
Tabellen nedan ger en uppfattning om den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater: