Dizel İçinde Su Emülsiyonlarının Yanması için Ultrasonik Emülsiyonlar

Dizel yakıtla çalışan elektrik jeneratörleri, gemi motorları ve demiryolu taşıtlarının motorları, dizel içinde su emülsiyonları kullanıldığında daha verimli çalıştırılabilir. Su-dizel emülsiyon yakıtları yakıt tüketimini azaltır, yanma sıcaklığını düşürür, daha temiz yanar ve NOx ile kurum gibi emisyonları azaltır. Ultrasonik emülsifikasyon, yüksek kaliteli dizel içinde su yakıtları üretmek için güvenilir, basit ve etkili bir yöntemdir.

Dizel İçinde Suyun Ultrasonik Emülsifikasyonu

Dizel içinde su emülsiyonları (WiDE; W/D emülsiyon yakıtı), %15’e kadar su içeren, modifiye edilmiş bir dizel yakıt alternatifidir. Aqua-fuel olarak da bilinen su-dizel emülsiyonlarında, su damlacıkları sürekli dizel fazı içine ultrasonik olarak emülsifiye edilir. Sıvıların yoğun sonikasyonu akustik kavitasyon oluşturur. Kavitasyon kaynaklı kesme kuvvetleri damlacıkları parçalar ve aksi halde birbirine karışmayan su ve dizel fazlarından homojen bir emülsiyon üretir.

Dizel İçinde Su Emülsiyonu

WiDE (W/D emülsiyonu), doğal olarak birbirine karışmayan sıvıların, dizel (sürekli/dış faz) içindeki su damlacıkları (dağılmış/iç faz) biçimindeki karışımı olarak tanımlanır. Emülsiyonun kararlılığını artırmak ve karıştırma için gereken enerjiyi azaltmak amacıyla düşük konsantrasyonlarda bir emülgatör eklenir.

İki Fazlı Emülsiyon

İki fazlı emülsiyon, herhangi bir yüzey aktif madde kullanılmadan suyun dizel içindeki karışımını ifade eder. İki fazlı bir WiDE için su ve dizel besleme akışları, motorun hemen öncesinde ultrasonik olarak emülsifiye edilir. Ultrasonik iki fazlı dizel içinde su emülsiyonu, ultrasonik akış hücresi reaktöründen doğrudan içten yanmalı motora gider. Yüzey aktif madde içermeyen bu emülsiyon, depolama için değil, doğrudan yanma için hazırlanır.

Su-Dizel Emülsiyon Yakıtına İlişkin Vaka Çalışması

Deney Düzeneği

Ithnin ve diğerleri (2018), dizel içinde su emülsiyon yakıtının (WiDE) tek silindirli, doğrudan püskürtmeli bir dizel motor üzerindeki etkisini inceledi. Su ve dizel farklı ünitelerde depolandı ve bu ünitelerden bir karıştırma sistemine nicel olarak aktarıldı. Karıştırma sistemi, yüksek kesmeli bir karıştırıcı ile ultrasonik homojenizatörün birleşiminden oluşuyordu. Kesmeli karıştırıcı, su ve dizelden kaba bir ön karışım oluştururken, ince damlacıklı, homojen bir emülsiyon elde etmek için sonikasyon kullanıldı. Su-dizel emülsiyonu %5 su ile hazırlandı. Homojen WiDE yakıtı, karıştırma sisteminden doğrudan motora aktarıldı. Hazırlanan WiDE yakıtı herhangi bir yüzey aktif madde içermediğinden, uzun vadede kararsız emülsiyon yakıtı (UW/D) olarak adlandırıldı. Dizel motor, dört farklı yük koşulunda (1 kW (%25), 2 kW (%50), 3 kW (%74), 4 kW (%100)) ve 3000 rpm sabit devirde test edildi. Yakıt performansı ve emisyonlar gibi etkileri karşılaştırmak amacıyla, yüzey aktif maddeyle kararlı hale getirilmiş bir emülsiyon yakıtı (kararlı emülsiyon (SW/D)) ve saf dizel yakıtı (D2) de aynı motorda test edildi. Hem kararsız emülsiyonda hem de kararlı emülsiyonda %5 su kullanılır.

Sonuçlar

Motor testi, yüzey aktif madde içermeyen su-dizel emülsiyon yakıtının (UW/D), saf dizel yakıtına kıyasla fren ısıl veriminde (BTE) %3,59 artış ve fren özgül yakıt tüketiminde (BSFC) %3,89 azalma ile motorda önemli bir iyileşme sağladığını göstermektedir. Hem kararlı hale getirilmiş (SW/D) hem de kararlı hale getirilmemiş (UW/D) emülsiyon yakıtları, mikro patlama olgusu sayesinde motorun ısıl verimini artırdı. Mikro patlama olgusu, emülsifiye edilmiş su damlacıklarının hızla buharlaşmasına neden olur. Çok küçük su damlacıkları yağla çevrili olduğundan, yoğun buharlaşma süreci damlacıkları şiddetle çok ince parçacıklara ayırır ve bu da hava ile yakıtın karışmasını destekler. Damlacıkların parçalanması ve havayla karışması, yanma verimini önemli ölçüde artırır.
Sonuçlar, yüzey aktif madde kullanmadan su-dizel emülsiyon yakıtını gerçek zamanlı olarak üretip motora aktarma yaklaşımının çok iyi çalıştığını göstermektedir. Ultrasonik olarak hazırlanan su-dizel karışımının hemen aktarılması, depolanan emülsiyon yakıtının kararlı hale getirilmesi sorununu ve yüzey aktif maddeye bağımlılığı ortadan kaldırır. Kararsız su-dizel emülsiyon yakıtı (UW/D), 25sec boyunca çökelme aşamasına ulaşmadan emülsiyon biçimini güvenilir şekilde korudu (aşağıdaki resme bakın).

Ultrasonik olarak emülsifiye edilmiş dizel içinde su emülsiyon yakıtının zaman içindeki damlacık davranışı: a) 10 s, b) 25 s, c) 50 s ve d) 132 s. (büyütme 1000×) – Ithnin ve diğerleri 2018

Saf dizel yakıtıyla karşılaştırıldığında, dizel içinde su emülsiyon yakıtının azot oksit (NOx) ve partikül madde (PM) egzoz emisyonları, sırasıyla ortalama %31,66 ve %16,33 azalmayla önemli ölçüde daha düşüktür.

Genel olarak, ultrasonik olarak hazırlanmış emülsiyonlar – ister kararsız olsun ister yüzey aktif maddeyle kararlı hale getirilmiş olsun – dizel yakıt tasarrufuna ve egzoz emisyonlarının azaltılmasına yardımcı olur.
Ultrasonik Teknolojiyle Daha Çevreci Egzoz Emisyonları ve Yakıt Tasarrufu!

Emülsifiye edilmiş yakıtın püskürtme alevinde birincil ve ikincil atomizasyon.

Üç Fazlı Emülsiyon

Üç fazlı emülsiyon olarak da bilinen üçlü faz emülsiyonu, su, yağ ve bir yüzey aktif maddeden oluşur. Suyun dizel fazı içine ultrasonik olarak emülsifiye edilmesi sırasında bir yüzey aktif madde eklenir. Emülgatör, emülsiyonun kararlılığını daha uzun süre korumasını sağlar ve dizel içinde su yakıtının depolanmasına olanak tanır. W/D emülsiyonunun kararlılığı, emülgatöre, ultrasonik işlem parametrelerine ve sıcaklığa bağlıdır. Yüzey aktif madde ile sonikasyon parametrelerinin doğru birleşimiyle, WiDE için kayda değer uzun vadeli kararlılık elde edilebilir.

Bir ultrasonik emülsifikasyon sisteminin kurulumu ve mevcut sisteme sonradan eklenmesi basit, güvenli ve düşük maliyetlidir. W/D emülsiyon yakıtları, herhangi bir geleneksel dizel motorla (ör. elektrik jeneratörleri, demiryolu taşıtlarının motorları, gemi motorları) değişiklik yapılmadan kullanılabilir.

WiDE Yakıtlarını Daha Verimli Kılan Nedir? – Mikro Patlama Olgusu

Dizel içinde su emülsiyon yakıtları, sürekli bir dizel fazı içinde asılı halde bulunan su parçacıklarından oluşur. Yanma sırasında, emülsiyon yakıtındaki ince su damlacıkları aşırı ısınmış durumlarına dizelden daha hızlı ulaşır ve buhar genleşmesine bağlı parçalanma (kendiliğinden patlama) oluşturarak çok ince parçacıklar meydana getirir. Emme havasıyla birleşen çok küçük parçacıkların artan yüzey alanı sayesinde hava ile yakıtın karışması önemli ölçüde iyileşir ve böylece yanma verimi artar. (Ivanov, Nevedov 1965)

Yüksek Performanslı Ultrasonik Emülsifikasyon Sistemleri

Hielscher Ultrasonics, yüksek kaliteli (nano-)emülsiyonların sürekli üretimi için yüksek performanslı ultrasonik işlemciler sunar. Üstün ultrasonik performans, sağlamlık ve az yer kaplama özellikleri, Hielscher sonikatörlerini dizel içinde su emülsiyon yakıtları için ideal karıştırma sistemi haline getirir. İster bir içten yanmalı motora doğrudan püskürtmek için emülsiyon yakıtları, ister depolama ve daha sonra yakma amacıyla kararlı emülsiyon yakıtları üretmek isteyin, Hielscher Ultrasonics uygulamanız için en uygun düzeneğe sahiptir. Demiryolu lokomotiflerine ve iç sularda çalışan gemilere entegrasyon için daha küçük ultrasonik emülsiyon sistemlerinden, enerji santralleri ve çok büyük deniz taşıtları için büyük hacimlerde aqua-fuel üretimine kadar – ultrasonik işlemci gruplarımız, her hacimde emülsiyon yakıtının işlenmesine olanak tanır.
Hielscher Ultrasonics endüstriyel ultrasonik işlemcileri, yüksek ultrasonik çıkışın, güvenilirliğin ve sağlamlığın yanı sıra hassas biçimde kontrol edilebilir ve izlenebilir. Sıcaklık ve basınç sensörleri verileri jeneratöre iletir; burada genlik, net ve toplam enerji, sıcaklık ve basınç gibi tüm önemli işlem parametreleri yerleşik bir SD karta kaydedilir. Akıllı yazılım kontrolü, sürekli yüksek kalitede, standartlaştırılmış bir emülsiyon yakıtı için kesin işlem parametrelerinin belirlenmesine ve ayarlanmasına olanak tanır. Ceketli ultrasonik akış reaktörü verimli biçimde soğutulabilir ve emülsiyonun belirlenen sıcaklıklarda işlenmesine olanak tanır. Ultrasonik ekipmanlarımızın sağlamlığı, ağır çalışma koşullarında ve zorlu ortamlarda 24/7 çalışmaya olanak tanır.
Aşağıdaki tablo, sonikatörlerimizin yaklaşık işleme kapasitesi hakkında fikir verir: