Ультразвукові емульсії для спалювання води в дизельному паливі

Електрогенератори, суднові двигуни та залізничні двигуни, які працюють на дизельному паливі, можуть працювати ефективніше, якщо використовувати емульсії «вода в дизельному паливі». Водно-дизельне емульсійне паливо знижує витрату палива, знижує температуру згоряння, горить чистіше і зменшує викиди, такі як NOx і сажа. Ультразвукова емульгування є надійним, простим та ефективним методом отримання високоякісного палива типу «вода в дизельному паливі».

Ультразвукова емульгування води в дизелі

Емульсії «вода в дизелі» (WiDE; W/D емульсійне паливо) є модифікованою альтернативою дизельному паливу, яка містить до 15% води. Також відоме як аквапаливо, у водно-дизельних емульсіях краплі води ультразвуково емульгуються в безперервну дизельну фазу. Інтенсивне ультразвукове випромінювання рідин призводить до утворення акустичної кавітації. Кавітаційні зсувні сили руйнують краплі та утворюють однорідну емульсію з водної та дизельної фаз, які інакше не змішуються.

Емульсія «вода в дизельному паливі»

WiDE (W/D емульсія) визначається як суміш природних рідин крапель води (дисперсна/внутрішня фаза) у дизельному паливі (безперервна/зовнішня фаза). Емульгуючий агент додається в низьких концентраціях з метою поліпшення стабільності емульсій і зниження потреби в енергії змішування.

двофазна емульсія

Двофазна емульсія описує суміш води в дизельному паливі без використання будь-якої поверхнево-активної речовини. Для двофазного WiDE потоки подачі води та дизельного палива ультразвуково емульгуються безпосередньо перед двигуном. Ультразвукова двофазна емульсія «вода в дизелі» надходить безпосередньо з ультразвукового реактора з проточною камерою в двигун внутрішнього згоряння. Без поверхнево-активної речовини емульсія виготовляється не для зберігання, а для безпосереднього спалювання.

Приклад використання водно-дизельного емульсійного палива

Налаштування

Ithnin et al. (2018) вивчали вплив емульсійного палива «вода в дизельному паливі» (WiDE) на одноциліндровий дизельний двигун із безпосереднім упорскуванням. Вода і дизель зберігалися в різних агрегатах, з яких кількісно передавалися в систему змішування. Система змішування складалася з комбінації змішувача з високим зсувом і ультразвукового гомогенізатора. Зсувний змішувач забезпечував грубу попередню суміш води та дизельного палива, тоді як ультразвуковий звук використовувався для отримання дрібнодисперсної однорідної емульсії. Водно-дизельну емульсію готували на 5% води. Однорідне паливо WiDE безпосередньо передавалося з системи змішування в двигун. Приготоване паливо WiDE не містило поверхнево-активних речовин, тому його називають довготривалим нестабільним емульсійним паливом (UW/D). Дизельний двигун проходив випробування в чотирьох різних умовах навантаження (1 кВт (25%), 2 кВт (50%), 3 кВт (74%), 4 кВт (100%)) і з постійною частотою обертання 3000 об/хв. Щоб порівняти такі ефекти, як ефективність палива та викиди, на одному двигуні також були протестовані емульсійне паливо, стабілізоване поверхнево-активною речовиною (стабільна емульсія (SW/D)) та чисте дизельне паливо (D2). 5% води використовується як для нестабільної, так і для стабільної емульсії.

Результати

Випробування двигуна показують, що водно-дизельне емульсійне паливо без поверхнево-активної речовини (UW/D) призводить до значного поліпшення роботи двигуна зі збільшенням термічної ефективності гальм (BTE) на 3,59% і зниження питомої витрати палива гальм (BSFC) на 3,89% в порівнянні з чистим дизельним паливом. Емульсійні палива, як стабілізовані (SW/D), так і нестабілізовані (UW/D), підвищували теплову ефективність двигуна за рахунок явища мікровибуху. Явище мікровибуху викликає швидке випаровування емульгованих крапель води. Оскільки найдрібніші краплі води оточені олією, інтенсивний процес випаровування сильно руйнує краплі на дуже дрібні частинки, що сприяє змішуванню повітря та палива. Руйнування крапель і змішування з повітрям значно підвищує ефективність згоряння.
Результати показують, що концепція виробництва та передачі водно-дизельного емульсійного палива в режимі реального часу в двигун без використання поверхнево-активної речовини працює дуже добре. Негайна передача ультразвуково приготовленої водно-дизельної суміші усуває проблему стабілізації зберігається емульсійного палива, а також залежність від поверхнево-активної речовини. Нестійке водно-дизельне емульсійне паливо (UW/D) надійно зберігало свою емульсійну форму, не доходячи до стадії седиментації протягом 25 сек (див. малюнок нижче).

Поведінка крапель ультразвуково емульгованого палива з часом атер-в-дизелі за часом а) 10 с, б) 25 с, в) 50 с і г) 132 с. (збільшення 1000×) – Ithnin та ін., 2018

Якщо порівнювати з чистим дизельним паливом, емульсійне паливо «вода в дизелі» має значно знижений викид оксидів азоту (NOx) і твердих частинок (PM) із середнім зниженням на 31,66% і 16,33% відповідно.

В цілому, емульсії, приготовані ультразвуком – нестабільний або стабілізований поверхнево-активною речовиною – допомагають економити дизельне паливо, а також зменшують викиди вихлопних газів.
Більш екологічне викиди вихлопних газів та економія палива з ультразвуковими засобами!

Первинне і вторинне розпилення в розпилювальному полум'ї емульгованого палива.

Емульсія потрійної фази

Емульсія потрійної фази, також відома як трифазна емульсія, складається з води, масла і поверхнево-активної речовини. Під час ультразвукової емульгування води в дизельну фазу додається поверхнево-активна речовина. Емульгуючий агент продовжує стабільність емульсії і дозволяє зберігати воду в дизельному паливі. Стабільність W/D емульсії залежить від емульгатора, параметрів ультразвукового процесу та температури. При правильному поєднанні параметрів поверхнево-активної речовини та ультразвуку можна досягти значної довгострокової стабільності WiDE.

Установка і дооснащення ультразвукової системи емульгування проста, безпечна і недорога. Емульсійне паливо W/D може використовуватися в поєднанні з будь-якими звичайними дизельними двигунами (наприклад, електрогенераторами, залізничними двигунами, судновими двигунами) без модифікації.

Що робить паливо WiDE більш ефективним? – Явище мікровибуху

Емульсійні палива Water-in-Diesel складаються з зважених частинок води в безперервній дизельній фазі. При згорянні дрібнодисперсні краплі води в емульсійному паливі досягають стадії перегріву швидше, ніж дизельне паливо, і створюють розпад розширення пари (самовільний вибух) під час згоряння, створюючи дуже дрібні частинки. Завдяки збільшеній площі поверхні найдрібніших частинок у поєднанні з всмоктуваним повітрям значно поліпшується змішування повітря і палива і тим самим підвищується ефективність згоряння. (Іванов, Неведов, 1965)

Високопродуктивні ультразвукові системи емульгування

Hielscher Ultrasonics постачає високопродуктивні ультразвукові процесори для безперервного виробництва високоякісних (нано)емульсій. Чудові ультразвукові характеристики, надійність і невелика площа роблять ультразвукові апарати Hielscher ідеальною системою змішування для емульсійного палива «вода в дизельному паливі». Незалежно від того, чи хочете ви виробляти емульсійне паливо для безпосереднього впорскування в двигун внутрішнього згоряння або стабільне емульсійне паливо для зберігання та подальшого згоряння, Hielscher Ultrasonics має найбільш підходящу установку для вашого застосування. Від менших ультразвукових емульсійних систем для інтеграції в залізничні локомотиви та внутрішні морські судна до генерації великих обсягів аквапалива для електростанцій та величезних морських суден – Наші кластери ультразвукових процесорів дозволяють проводити емульсійну переробку палива будь-якого обсягу.
Крім високої ультразвукової потужності, надійності та міцності, Hielscher Ultrasonics’ Промислові ультразвукові процесори можуть точно управлятися і контролюватися. Датчики температури і тиску передають дані на генератор, де на вбудовану SD-карту записуються всі важливі параметри процесу, такі як амплітуда, корисна і повна енергія, температура і тиск. Інтелектуальне програмне управління дозволяє встановлювати і встановлювати точні параметри процесу для стандартизованого емульсійного палива безперервно високої якості. Реактор ультразвукового потоку з сорочкою може ефективно охолоджуватися і дозволяти обробляти емульсію при заданих температурах. Надійність нашого ультразвукового обладнання дозволяє працювати 24/7 у важких умовах і в складних умовах.
Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну потужність обробки наших ультразвукових апаратів: