Ультразвукові емульсії для спалювання вододизельного палива

Електрогенератори, суднові двигуни та залізничні двигуни, які працюють на дизельному паливі, можуть функціонувати ефективніше при використанні вододизельних емульсій. Вододизельні емульсійні палива зменшують витрату палива, знижують температуру горіння, забезпечують чистіше згоряння та зменшують викиди, такі як NOx і сажа. Ультразвукова емульгація є надійним, простим та ефективним методом виробництва високоякісних вододизельних палив.

Ультразвукова емульгація вододизельного палива

Вододизельні емульсії (WiDE; емульсійне паливо W/D) є альтернативою модифікованого дизельного палива, яка містить до 15% води. Також відомі як аквапаливо, у вододизельних емульсіях краплі води ультразвуково емульгуються в суцільну дизельну фазу. Інтенсивна ультразвукова обробка рідин генерує акустичну кавітацію. Кавітаційні зсувні сили руйнують краплі та створюють гомогенну емульсію з інакше незмішуваних фаз води та дизеля.

Вододизельна емульсія

WiDE (емульсія W/D) визначається як суміш природно незмішуваних рідин, де краплі води (дисперсна/внутрішня фаза) розподілені в дизелі (суцільна/зовнішня фаза). Для покращення стабільності емульсії та зниження вимог до енергії змішування додається емульгатор у низьких концентраціях.

Двофазна емульсія

Двофазна емульсія описує суміш води в дизелі без використання будь-яких поверхнево-активних речовин. Для двофазної WiDE потоки подачі води та дизеля ультразвуково емульгуються безпосередньо перед двигуном. Ультразвукова двофазна вододизельна емульсія надходить безпосередньо з ультразвукового проточного реактора в двигун внутрішнього згоряння. Без поверхнево-активної речовини емульсія не призначена для зберігання, а для безпосереднього спалювання.

Кейс-стаді вододизельного емульсійного палива

Налаштування

Ithnin et al. (2018) досліджували вплив вододизельного емульсійного палива (WiDE) на одноциліндровий дизельний двигун з безпосереднім упорскуванням. Вода та дизель зберігалися в різних ємностях, з яких вони були кількісно перенесені в систему змішування. Система змішування складалася з комбінації високозсувного міксера та ультразвукового гомогенізатора. Зсувний міксер забезпечував грубе попереднє змішування води та дизеля, тоді як ультразвукова обробка використовувалася для отримання емульсії з дрібним, однорідним розміром крапель. Вододизельна емульсія була приготована з 5% води. Гомогенне паливо WiDE було безпосередньо перенесено з системи змішування в двигун. Приготоване паливо WiDE не містило жодних поверхнево-активних речовин, тому його називали нестабільним емульсійним паливом тривалого зберігання (UW/D). Дизельний двигун тестувався за чотирьох різних навантажувальних умов (1 kW (25%), 2 kW (50%), 3 kW (74%), 4 kW (100%)) та зі сталою швидкістю 3000 rpm. Для порівняння таких ефектів, як ефективність палива та викиди, на тому ж двигуні також тестувалися стабілізоване поверхнево-активною речовиною емульсійне паливо (стабільна емульсія (SW/D)) та чисте дизельне паливо (D2). 5% води використовується як для нестабільної емульсії, так і для стабільної емульсії.

Результати

Випробування двигуна показують, що емульсійне паливо вода-дизель без поверхнево-активної речовини (UW/D) забезпечує значне покращення роботи двигуна зі збільшенням гальмівної термічної ефективності (BTE) на 3,59% та зменшенням гальмівної питомої витрати палива (BSFC) на 3,89% порівняно з чистим дизельним паливом. Емульсійні палива, як стабілізовані (SW/D), так і нестабілізовані (UW/D), підвищили термічну ефективність двигуна завдяки явищу мікровибуху. Явище мікровибуху спричиняє швидке випаровування емульгованих крапель води. Оскільки дрібні краплі води оточені олією, інтенсивний процес випаровування руйнує краплі насильно на дуже дрібні частинки, що сприяє змішуванню повітря та палива. Руйнування крапель та змішування з повітрям значно підвищують ефективність згоряння.
Результати показують, що концепція виробництва та передачі емульсійного палива вода-дизель у реальному часі в двигун без використання поверхнево-активної речовини працює дуже добре. Безпосередня передача ультразвуково підготовленої суміші вода-дизель усуває проблему стабілізації для збереженого емульсійного палива, а також залежність від поверхнево-активної речовини. Нестабільне емульсійне паливо вода-дизель (UW/D) надійно зберігало свою емульсійну форму, не досягаючи стадії осадження протягом 25 сек (див. зображення нижче).

Поведінка крапель ультразвуково емульгованого палива вода-в-дизелі з часом: a) 10 с, b) 25 с, c) 50 с та d) 132 с. (збільшення 1000×) – Ithnin et al. 2018

Порівняно з чистим дизельним паливом, емульсійне паливо вода-в-дизелі має значно знижені вихлопні викиди оксидів азоту (NOx) та твердих частинок (PM) із середнім зниженням на 31,66% та 16,33% відповідно.

Загалом, емульсії, підготовлені за допомогою ультразвуку, – чи то нестабільні, чи стабілізовані поверхнево-активною речовиною, – допомагають заощаджувати дизельне паливо та зменшувати вихлопні викиди.
Екологічніші вихлопні викиди та економія палива за допомогою ультразвуку!

Первинне та вторинне розпилення у факелі емульсованого палива.

Трифазна емульсія

Трифазна емульсія, також відома як емульсія з трьох фаз, складається з води, олії та поверхнево-активної речовини. Під час ультразвукової емульгації води в дизельну фазу додається поверхнево-активна речовина. Емульгатор подовжує стабільність емульсії та дозволяє зберігати паливо вода-в-дизелі. Стабільність емульсії W/D залежить від емульгатора, параметрів ультразвукового процесу та температури. За правильного поєднання поверхнево-активної речовини та параметрів ультразвукової обробки можна досягти значної довгострокової стабільності WiDE.

Встановлення та модернізація системи ультразвукової емульгації є простими, безпечними та недорогими. Емульсійні палива W/D можна використовувати в поєднанні з будь-якими звичайними дизельними двигунами (наприклад, генераторами, залізничними двигунами, судновими двигунами) без модифікацій.

Що робить палива WiDE ефективнішими? – Явище мікровибуху

Емульсійні палива вода-в-дизелі складаються з завислих частинок води в безперервній дизельній фазі. Під час згоряння дрібні краплі води в емульсійному паливі досягають перегрітої стадії швидше, ніж дизель, і створюють розпад через розширення пари (спонтанний вибух) під час згоряння, утворюючи дуже дрібні частинки. Завдяки збільшеній площі поверхні дрібних частинок у поєднанні з впускним повітрям, змішування повітря та палива значно покращується і тим самим підвищує ефективність згоряння. (Ivanov, Nevedov 1965)

Високопродуктивні системи ультразвукової емульгації

Hielscher Ultrasonics постачає високоефективні ультразвукові процесори для безперервного виробництва високоякісних (нано-)емульсій. Переважна ультразвукова ефективність, надійність та компактні розміри роблять Hielscher Ultrasonicators ідеальною системою змішування для палив на основі емульсії «вода в дизелі». Незалежно від того, чи хочете ви виробляти емульсійне паливо для безпосереднього впорскування в двигун внутрішнього згоряння, чи стабільне емульсійне паливо для зберігання та подальшого спалювання, Hielscher Ultrasonics має найбільш підходящу конфігурацію для вашого застосування. Від менших ультразвукових емульсійних систем для інтеграції в локомотиви та внутрішні морські судна до виробництва великих обсягів аквапалива для електростанцій та величезних морських суден – наші кластери ультразвукових процесорів дозволяють обробляти емульсійне паливо будь-якого обсягу.
Окрім високої ультразвукової потужності, надійності та міцності, промислові ультразвукові процесори Hielscher Ultrasonics можуть точно контролюватися та моніторитися. Датчики температури та тиску передають дані на генератор, де всі важливі параметри процесу, такі як амплітуда, чиста та загальна енергія, температура і тиск, записуються на вбудовану SD-картку. Інтелектуальне програмне управління дозволяє встановлювати та налаштовувати точні параметри процесу для стандартизованого емульсійного палива постійно високої якості. Сорочковий ультразвуковий реактор потоку можна ефективно охолоджувати, що дозволяє обробляти емульсію при заданих температурах. Надійність нашого ультразвукового обладнання дозволяє працювати цілодобово (24/7) у важких умовах та в складних середовищах.
Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну продуктивність наших ультразвукових апаратів: