Ultraljudsemulsioner för vatten-i-dieselförbränning

Kraftgeneratorer, fartygsmotorer och järnvägsmotorer, som drivs med diesel, kan köras mer effektivt när vatten-i-diesel-emulsioner används. Vatten-diesel-emulsionsbränslen minskar bränsleförbrukningen, sänker förbränningstemperaturen, förbränner renare och minskar utsläpp, såsom NOx och sot. Ultraljudsemulgering är en pålitlig, enkel och effektiv metod för att producera högkvalitativa vatten-i-dieselbränslen.

Ultraljudsemulgering av vatten-i-diesel

Vatten-i-diesel-emulsioner (WiDE; W/D emulsionsbränsle) är ett modifierat dieselbränslealternativ, som innehåller upp till 15 % vatten. Även känd som vattenbränsle, i vatten-dieselemulsioner, emulgeras vattendroppar ultraljudsmässigt till den kontinuerliga dieselfasen. Intensiv ultraljudsbehandling av vätskor genererar akustisk kavitation. Kavitationella skjuvkrafter stör droppen och producerar 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 i vattendroppar (disperged/intern fas) i diesel (kontinuerlig/extern fas). Ett emulgeringsmedel tillsätts i låga koncentrationer för att förbättra emulsionernas stabilitet och sänka blandningsenergibehovet.

tvåfas emulsion

En tvåfasemulsion beskriver blandningen av vatten i diesel utan användning av något ytaktivt ämne. För en tvåfas WiDE emulgeras vatten- och dieselmatningsströmmarna med ultraljud precis framför motorn. Den ultraljuds-tvåfasiga vatten-i-diesel-emulsionen går direkt från ultraljudsflödescellsreaktorn till förbränningsmotorn. Utan ytaktivt ämne är emulsionen inte gjord för lagring utan för direkt förbränning.

Fallstudie av vatten-dieselemulsionsbränsle

Upplägget

Ithnin et al. (2018) studerade effekten av vatten-i-diesel-emulsionsbränsle (WiDE) på en encylindrig, direktinsprutad dieselmotor. Vatten och diesel har lagrats i olika enheter, från vilka de har överförts kvantitativt till ett blandningssystem. Blandningssystemet bestod av en kombination av mixer med hög skjuvning och ultraljudshomogenisator. Skjuvmixern gav en grov förblandning av vatten och diesel, medan ultraljudsbehandlingen användes för en fin, enhetlig emulsion. Vatten-diesel-emulsionen framställdes med 5% vatten. Det homogena WiDE-bränslet överfördes direkt från blandningssystemet till motorn. Det beredda WiDE-bränslet innehöll inga ytaktiva ämnen och betecknades därför som ett långvarigt instabilt emulsionsbränsle (UW/D). Dieselmotorn testades under fyra olika belastningsförhållanden (1 kW (25 %), 2 kW (50 %), 3 kW (74 %), 4 kW (100 %)) och med ett konstant varvtal på 3000 rpm. För att kunna jämföra effekter som bränsleprestanda och utsläpp testades även ett surfaktantstabiliserat emulsionsbränsle (stabil emulsion (SW/D)) och rent dieselbränsle (D2) på samma motor. 5 % vatten används för både instabil emulsion och stabil emulsion.

Resultatet

Motortestet visar att vatten-diesel-emulsionsbränsle utan ytaktivt ämne (UW/D) resulterar i en signifikant förbättring av motorn med en 3,59 % ökning av bromsens termiska effektivitet (BTE) och 3,89 % minskning av bromsspecifik bränsleförbrukning (BSFC) jämfört med rent dieselbränsle. Emulsionsbränslena, både stabiliserade (SW/D) och ostabiliserade (UW/D), ökade motorns termiska effektivitet på grund av mikroexplosionsfenomenet. Mikroexplosionsfenomenet orsakar en snabb avdunstning av emulgerade vattendroppar. Eftersom de små vattendropparna är omgivna av olja, splittrar den intensiva avdunstningsprocessen dropparna våldsamt till mycket fina partiklar, vilket främjar blandningen av luft och bränsle. Droppavskiljningen och blandningen med luft ökar förbränningseffektiviteten avsevärt.
Resultaten visar att konceptet med att producera och överföra vatten-diesel-emulsionsbränslet i realtid till motorn utan att använda surfaktant fungerar mycket bra. Den omedelbara överföringen av den ultraljudsmässigt framställda vatten-dieselblandningen eliminerar stabiliseringsproblemet för lagrat emulsionsbränsle samt beroendet av ytaktivt ämne. Instabilt vatten-diesel-emulsionsbränsle (UW/D) bibehöll på ett tillförlitligt sätt sin emulsionsform utan att nå sedimenteringsstadiet inom 25 sekunder (se bilden nedan).

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

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

Sammantaget, ultraljudsmässigt framställda emulsioner – om de är instabila eller stabiliserade med ytaktivt ämne – bidra till att spara diesel och minska avgasutsläppen.
Grönare avgasutsläpp och bränslebesparingar med ultraljud!

Primär och sekundär finfördelning i spraylåga av emulgerat bränsle.

Ternära fasemulsion

En ternärfasemulsion, även känd som trefasemulsion, består av vatten, olja och ett ytaktivt ämne. Under ultraljudsemulgeringen av vattnet till dieselfasen tillsätts ett ytaktivt ämne. Emulgeringsmedlet förlänger emulsionsstabiliteten och gör det möjligt att lagra vattnet i dieselbränslet. W/D-emulsionsstabiliteten beror på emulgeringsmedlet, ultraljudsprocessparametrarna och temperaturen. Med rätt kombination av ytaktiva och ultraljudsbehandling parametrar, en betydande långsiktig stabilitet av WiDE kan uppnås.

Installationen och eftermonteringen av ett ultraljudsemulgeringssystem är enkelt, säkert och billigt. W/D emulsionsbränslen kan användas i kombination med alla konventionella dieselmotorer (t.ex. kraftgeneratorer, järnvägsmotorer, fartygsmotorer) utan modifiering.

Vad gör WiDE Fuels mer effektivt? – Fenomenet med mikroexplosion

Vatten-i-diesel-emulsionsbränslen består av suspenderade vattenpartiklar i en kontinuerlig dieselfas. Vid förbränning når de fina vattendropparna i emulsionsbränslet sitt överhettade stadium snabbare än dieseln och skapar en ångexpansionsbrytning (spontan explosion) under förbränningen, vilket skapar mycket fina partiklar. På grund av den ökade ytan av de små partiklarna i kombination med insugningsluften förbättras luft- och bränsleblandningen avsevärt och ökar därmed förbränningseffektiviteten. (Ivanov, Nevedov 1965)

Högpresterande ultraljudsemulgeringssystem

Hielscher Ultrasonics levererar högpresterande ultraljudsprocessorer för kontinuerlig produktion av högkvalitativa (nano-)emulsioner. Överlägsen ultraljudsprestanda, robusthet, och ett litet fotavtryck gör Hielscher Ultrasonicators till det perfekta blandningssystemet för vatten-i-diesel emulsionsbränslen. 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 inställningen för din applikation. Från mindre ultraljudsemulsionssystem för integration i järnvägslok och fartyg i inlandssjöfart till generering av stora vattenbränslevolymer för kraftverk och stora marina fartyg – Våra kluster av ultraljudsprocessorer möjliggör bearbetning av emulsionsbränsle av vilken volym som helst.
Förutom hög ultraljudseffekt, tillförlitlighet och robusthet, Hielscher Ultrasonics’ Industriella ultraljudsprocessorer kan styras och övervakas exakt. Temperatur- och trycksensorer överför data till generatorn, där alla viktiga processparametrar som amplitud, netto- 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 av kontinuerligt hög kvalitet. Den mantlade ultraljudsflödesreaktorn kan kylas effektivt och göra det möjligt att bearbeta emulsionen vid specificerade temperaturer. Robustheten hos vår ultraljudsutrustning möjliggör 24/7 drift vid tung belastning och i krävande miljöer.
Tabellen nedan ger dig en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater: