อิมัลชันที่ผลิตด้วยอัลตราโซนิกสำหรับการเผาไหม้เชื้อเพลิงชนิดน้ำในดีเซล

เครื่องกำเนิดไฟฟ้า เครื่องยนต์เรือ และเครื่องยนต์รถไฟที่ใช้เชื้อเพลิงดีเซลสามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นเมื่อใช้อิมัลชันชนิดน้ำในดีเซล เชื้อเพลิงอิมัลชันน้ำ–ดีเซลช่วยลดการใช้เชื้อเพลิง ลดอุณหภูมิการเผาไหม้ เผาไหม้ได้สะอาดขึ้น และลดการปล่อยมลพิษ เช่น NOx และเขม่า การทำอิมัลชันด้วยอัลตราโซนิกเป็นวิธีที่เชื่อถือได้ เรียบง่าย และมีประสิทธิผลในการผลิตเชื้อเพลิงชนิดน้ำในดีเซลคุณภาพสูง

การทำอิมัลชันชนิดน้ำในดีเซลด้วยอัลตราโซนิก

อิมัลชันชนิดน้ำในดีเซล (WiDE; เชื้อเพลิงอิมัลชัน W/D) เป็นเชื้อเพลิงดีเซลดัดแปลงทางเลือกที่มีน้ำเป็นส่วนประกอบได้สูงถึง 15% อิมัลชันน้ำ–ดีเซลยังเรียกว่าเชื้อเพลิงอควา โดยหยดน้ำจะถูกทำให้เป็นอิมัลชันในเฟสต่อเนื่องของดีเซลด้วยอัลตราโซนิก การใช้คลื่นอัลตราโซนิกความเข้มสูงกับของเหลวก่อให้เกิดคาวิเทชันทางเสียง แรงเฉือนจากคาวิเทชันทำให้หยดน้ำแตกตัวและเกิดอิมัลชันเนื้อเดียวกันของเฟสน้ำและเฟสดีเซล ซึ่งตามปกติไม่สามารถผสมเป็นเนื้อเดียวกันได้

อิมัลชันชนิดน้ำในดีเซล

WiDE (อิมัลชัน W/D) หมายถึงส่วนผสมของของเหลวที่ตามธรรมชาติไม่สามารถผสมเป็นเนื้อเดียวกันได้ โดยมีหยดน้ำ (เฟสกระจายตัว/เฟสภายใน) อยู่ในดีเซล (เฟสต่อเนื่อง/เฟสภายนอก) มีการเติมสารทำอิมัลชันในความเข้มข้นต่ำเพื่อเพิ่มเสถียรภาพของอิมัลชันและลดพลังงานที่ต้องใช้ในการผสม

อิมัลชันสองเฟส

อิมัลชันสองเฟสหมายถึงส่วนผสมของน้ำในดีเซลที่ไม่ใช้สารลดแรงตึงผิวใด ๆ สำหรับ WiDE แบบสองเฟส กระแสป้อนน้ำและดีเซลจะถูกทำให้เป็นอิมัลชันด้วยอัลตราโซนิก ณ จุดก่อนเข้าสู่เครื่องยนต์โดยตรง อิมัลชันชนิดน้ำในดีเซลแบบสองเฟสที่ผลิตด้วยอัลตราโซนิกจะไหลจากเครื่องปฏิกรณ์เซลล์ไหลอัลตราโซนิกเข้าสู่เครื่องยนต์สันดาปโดยตรง เมื่อไม่มีสารลดแรงตึงผิว อิมัลชันนี้จึงผลิตขึ้นเพื่อเผาไหม้โดยตรง ไม่ใช่เพื่อเก็บรักษา

กรณีศึกษาเชื้อเพลิงอิมัลชันน้ำ–ดีเซล

การจัดชุดทดลอง

Ithnin และคณะ (2018) ศึกษาผลของเชื้อเพลิงอิมัลชันชนิดน้ำในดีเซล (WiDE) ต่อเครื่องยนต์ดีเซลสูบเดียวแบบฉีดตรง น้ำและดีเซลถูกเก็บไว้ในหน่วยแยกกัน และถ่ายโอนในเชิงปริมาณจากหน่วยเหล่านั้นเข้าสู่ระบบผสม ระบบผสมประกอบด้วยเครื่องผสมแรงเฉือนสูงร่วมกับเครื่องโฮโมจีไนเซอร์อัลตราโซนิก เครื่องผสมแรงเฉือนใช้ผสมน้ำและดีเซลเบื้องต้นอย่างหยาบ ส่วนการใช้คลื่นอัลตราโซนิกทำให้ได้อิมัลชันที่มีหยดขนาดเล็กและสม่ำเสมอ อิมัลชันน้ำ–ดีเซลถูกเตรียมโดยมีน้ำ 5% เชื้อเพลิง WiDE ที่เป็นเนื้อเดียวกันถูกถ่ายโอนจากระบบผสมเข้าสู่เครื่องยนต์โดยตรง เชื้อเพลิง WiDE ที่เตรียมขึ้นไม่มีสารลดแรงตึงผิวใด ๆ จึงเรียกว่าเชื้อเพลิงอิมัลชันที่ไม่เสถียรในระยะยาว (UW/D) เครื่องยนต์ดีเซลถูกทดสอบภายใต้สภาวะโหลดที่แตกต่างกันสี่ระดับ (1 kW (25%), 2 kW (50%), 3 kW (74%), 4 kW (100%)) และที่ความเร็วคงที่ 3000 rpm เพื่อเปรียบเทียบผลด้านต่าง ๆ เช่น สมรรถนะของเชื้อเพลิงและการปล่อยมลพิษ จึงทดสอบเชื้อเพลิงอิมัลชันที่ทำให้เสถียรด้วยสารลดแรงตึงผิว (อิมัลชันเสถียร (SW/D)) และเชื้อเพลิงดีเซลล้วน (D2) ด้วยเครื่องยนต์เดียวกันด้วย ทั้งอิมัลชันที่ไม่เสถียรและอิมัลชันเสถียรใช้น้ำ 5%

ผลการทดลอง

การทดสอบเครื่องยนต์แสดงให้เห็นว่าเชื้อเพลิงอิมัลชันน้ำ–ดีเซลที่ไม่มีสารลดแรงตึงผิว (UW/D) ช่วยเพิ่มสมรรถนะของเครื่องยนต์อย่างมีนัยสำคัญ โดยประสิทธิภาพเชิงความร้อนเบรก (BTE) เพิ่มขึ้น 3.59% และอัตราการใช้เชื้อเพลิงจำเพาะเบรก (BSFC) ลดลง 3.89% เมื่อเทียบกับเชื้อเพลิงดีเซลล้วน เชื้อเพลิงอิมัลชันทั้งชนิดที่ทำให้เสถียร (SW/D) และชนิดที่ไม่ได้ทำให้เสถียร (UW/D) เพิ่มประสิทธิภาพเชิงความร้อนของเครื่องยนต์เนื่องจากปรากฏการณ์การระเบิดระดับจุลภาค ปรากฏการณ์การระเบิดระดับจุลภาคทำให้หยดน้ำในอิมัลชันระเหยอย่างรวดเร็ว เนื่องจากหยดน้ำขนาดเล็กมากถูกล้อมรอบด้วยน้ำมัน กระบวนการระเหยอย่างรุนแรงจึงทำให้หยดแตกตัวอย่างรุนแรงเป็นอนุภาคละเอียดมาก ซึ่งส่งเสริมการผสมระหว่างอากาศกับเชื้อเพลิง การแตกตัวของหยดและการผสมกับอากาศเพิ่มประสิทธิภาพการเผาไหม้อย่างมีนัยสำคัญ
ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าแนวคิดในการผลิตและถ่ายโอนเชื้อเพลิงอิมัลชันน้ำ–ดีเซลเข้าสู่เครื่องยนต์แบบเรียลไทม์โดยไม่ใช้สารลดแรงตึงผิวได้ผลดีมาก การถ่ายโอนส่วนผสมน้ำ–ดีเซลที่เตรียมด้วยอัลตราโซนิกทันทีช่วยขจัดปัญหาการทำให้อิมัลชันเชื้อเพลิงที่เก็บรักษาไว้มีเสถียรภาพ รวมถึงการพึ่งพาสารลดแรงตึงผิว เชื้อเพลิงอิมัลชันน้ำ–ดีเซลที่ไม่เสถียร (UW/D) สามารถคงสภาพอิมัลชันได้อย่างเชื่อถือได้โดยไม่เข้าสู่ระยะตกตะกอนภายใน 25sec (ดูภาพด้านล่าง)

พฤติกรรมของหยดในเชื้อเพลิงอิมัลชันชนิดน้ำในดีเซลที่ทำให้เป็นอิมัลชันด้วยอัลตราโซนิกตามเวลา a) 10 s, b) 25 s, c) 50 s และ d) 132 s (กำลังขยาย 1000×) – Ithnin และคณะ 2018

เมื่อเทียบกับเชื้อเพลิงดีเซลล้วน เชื้อเพลิงอิมัลชันชนิดน้ำในดีเซลมีการปล่อยไนโตรเจนออกไซด์ (NOx) และฝุ่นละออง (PM) ในไอเสียลดลงอย่างมีนัยสำคัญ โดยลดลงเฉลี่ย 31.66% และ 16.33% ตามลำดับ

โดยรวมแล้ว อิมัลชันที่เตรียมด้วยอัลตราโซนิก – ไม่ว่าจะเป็นชนิดที่ไม่เสถียรหรือชนิดที่ทำให้เสถียรด้วยสารลดแรงตึงผิว – ช่วยประหยัดเชื้อเพลิงดีเซลและลดการปล่อยมลพิษในไอเสีย
ลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมจากไอเสียและประหยัดเชื้อเพลิงด้วยอัลตราโซนิก!

การแตกตัวเป็นละอองขั้นปฐมภูมิและขั้นทุติยภูมิในเปลวไฟจากการพ่นเชื้อเพลิงอิมัลชัน

อิมัลชันสามเฟส

อิมัลชันแบบไตรภาค หรือที่เรียกว่าอิมัลชันสามเฟส ประกอบด้วยน้ำ น้ำมัน และสารลดแรงตึงผิว ในระหว่างการทำให้น้ำเป็นอิมัลชันในเฟสดีเซลด้วยอัลตราโซนิก จะมีการเติมสารลดแรงตึงผิว สารทำอิมัลชันช่วยยืดระยะเวลาที่อิมัลชันคงเสถียรภาพและทำให้สามารถเก็บรักษาเชื้อเพลิงชนิดน้ำในดีเซลได้ เสถียรภาพของอิมัลชัน W/D ขึ้นอยู่กับสารทำอิมัลชัน พารามิเตอร์ของกระบวนการอัลตราโซนิก และอุณหภูมิ การเลือกสารลดแรงตึงผิวร่วมกับพารามิเตอร์การใช้คลื่นอัลตราโซนิกอย่างเหมาะสมสามารถทำให้ WiDE มีเสถียรภาพในระยะยาวอย่างมีนัยสำคัญได้

การติดตั้งระบบทำอิมัลชันด้วยอัลตราโซนิกและการติดตั้งเพิ่มเติมเข้ากับระบบเดิมทำได้ง่าย ปลอดภัย และมีค่าใช้จ่ายต่ำ เชื้อเพลิงอิมัลชัน W/D สามารถใช้ร่วมกับเครื่องยนต์ดีเซลทั่วไปทุกชนิด (เช่น เครื่องกำเนิดไฟฟ้า เครื่องยนต์รถไฟ เครื่องยนต์เรือ) ได้โดยไม่ต้องดัดแปลง

อะไรทำให้เชื้อเพลิง WiDE มีประสิทธิภาพมากขึ้น? – ปรากฏการณ์การระเบิดระดับจุลภาค

เชื้อเพลิงอิมัลชันชนิดน้ำในดีเซลประกอบด้วยอนุภาคน้ำที่แขวนลอยอยู่ในเฟสต่อเนื่องของดีเซล เมื่อเผาไหม้ หยดน้ำขนาดเล็กในเชื้อเพลิงอิมัลชันจะเข้าสู่สภาวะร้อนยวดยิ่งได้เร็วกว่าดีเซล และเกิดการแตกตัวจากการขยายตัวของไอ (การระเบิดที่เกิดขึ้นเอง) ระหว่างการเผาไหม้ ทำให้เกิดอนุภาคละเอียดมาก พื้นที่ผิวที่เพิ่มขึ้นของอนุภาคขนาดเล็กมากร่วมกับอากาศไอดีทำให้การผสมระหว่างอากาศกับเชื้อเพลิงดีขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ จึงเพิ่มประสิทธิภาพการเผาไหม้ (Ivanov, Nevedov 1965)

ระบบทำอิมัลชันด้วยอัลตราโซนิกสมรรถนะสูง

Hielscher Ultrasonics จัดหาเครื่องประมวลผลอัลตราโซนิกสมรรถนะสูงสำหรับการผลิตอิมัลชันคุณภาพสูงอย่างต่อเนื่อง รวมถึงอิมัลชันระดับนาโน สมรรถนะอัลตราโซนิกที่เหนือกว่า ความทนทาน และพื้นที่ติดตั้งขนาดเล็กทำให้เครื่องอัลตราโซนิก Hielscher เป็นระบบผสมที่เหมาะอย่างยิ่งสำหรับเชื้อเพลิงอิมัลชันชนิดน้ำในดีเซล ไม่ว่าคุณต้องการผลิตเชื้อเพลิงอิมัลชันเพื่อฉีดเข้าสู่เครื่องยนต์สันดาปโดยตรง หรือผลิตเชื้อเพลิงอิมัลชันที่เสถียรเพื่อเก็บรักษาและเผาไหม้ในภายหลัง Hielscher Ultrasonics มีชุดระบบที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการใช้งานของคุณ ตั้งแต่ระบบทำอิมัลชันด้วยอัลตราโซนิกขนาดเล็กสำหรับติดตั้งร่วมกับหัวรถจักรรถไฟและเรือในน่านน้ำภายใน ไปจนถึงการผลิตเชื้อเพลิงอควาปริมาณมากสำหรับโรงไฟฟ้าและเรือเดินทะเลขนาดใหญ่ – กลุ่มเครื่องประมวลผลอัลตราโซนิกของเราสามารถประมวลผลเชื้อเพลิงอิมัลชันได้ทุกปริมาณ
นอกจากกำลังอัลตราโซนิกขาออกสูง ความเชื่อถือได้ และความทนทานแล้ว เครื่องประมวลผลอัลตราโซนิกระดับอุตสาหกรรมของ Hielscher Ultrasonics ยังสามารถควบคุมและติดตามการทำงานได้อย่างแม่นยำ เซนเซอร์อุณหภูมิและความดันส่งข้อมูลไปยังเครื่องกำเนิดสัญญาณ ซึ่งบันทึกพารามิเตอร์กระบวนการที่สำคัญทั้งหมด เช่น แอมพลิจูด พลังงานสุทธิและพลังงานรวม อุณหภูมิ และความดัน ลงในการ์ด SD ที่ติดตั้งอยู่ภายใน การควบคุมด้วยซอฟต์แวร์อัจฉริยะช่วยให้กำหนดและตั้งค่าพารามิเตอร์กระบวนการได้อย่างแม่นยำ เพื่อผลิตเชื้อเพลิงอิมัลชันตามมาตรฐานที่มีคุณภาพสูงอย่างต่อเนื่อง เครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิกแบบไหลที่มีแจ็กเก็ตสามารถระบายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ และช่วยให้ประมวลผลอิมัลชันที่อุณหภูมิที่กำหนดได้ ความทนทานของอุปกรณ์อัลตราโซนิกของเรารองรับการทำงาน 24/7 ภายใต้ภาระงานหนักและในสภาพแวดล้อมที่มีข้อกำหนดสูง
ตารางด้านล่างแสดงกำลังการประมวลผลโดยประมาณของเครื่องอัลตราโซนิกของเรา: