Nhũ tương tạo bằng siêu âm cho quá trình đốt nhiên liệu nước trong diesel

Máy phát điện, động cơ tàu thủy và động cơ đường sắt sử dụng nhiên liệu diesel có thể vận hành hiệu quả hơn khi sử dụng nhũ tương nước trong diesel. Nhiên liệu nhũ tương nước–diesel giúp giảm mức tiêu thụ nhiên liệu, hạ nhiệt độ cháy, cháy sạch hơn và giảm phát thải, chẳng hạn như NOx và muội than. Nhũ hóa bằng siêu âm là phương pháp đáng tin cậy, đơn giản và hiệu quả để sản xuất nhiên liệu nước trong diesel chất lượng cao.

Nhũ hóa nước trong diesel bằng siêu âm

Nhũ tương nước trong diesel (WiDE; nhiên liệu nhũ tương W/D) là một loại nhiên liệu diesel biến tính dùng thay thế, chứa tới 15% nước. Còn được gọi là nhiên liệu chứa nước, nhũ tương nước–diesel có các giọt nước được nhũ hóa bằng siêu âm vào pha diesel liên tục. Xử lý chất lỏng bằng siêu âm cường độ cao tạo ra hiện tượng xâm thực âm. Lực cắt do xâm thực phá vỡ các giọt và tạo ra nhũ tương đồng nhất từ hai pha nước và diesel vốn không hòa lẫn vào nhau.

Nhũ tương nước trong diesel

WiDE (nhũ tương W/D) được định nghĩa là hỗn hợp của các chất lỏng vốn không hòa lẫn vào nhau, gồm các giọt nước (pha phân tán/pha nội) trong diesel (pha liên tục/pha ngoại). Chất nhũ hóa được bổ sung ở nồng độ thấp để cải thiện độ ổn định của nhũ tương và giảm nhu cầu năng lượng trộn.

Nhũ tương hai pha

Nhũ tương hai pha là hỗn hợp nước trong diesel không sử dụng bất kỳ chất hoạt động bề mặt nào. Đối với WiDE hai pha, các dòng cấp nước và diesel được nhũ hóa bằng siêu âm ngay trước động cơ. Nhũ tương nước trong diesel hai pha được tạo bằng siêu âm đi trực tiếp từ thiết bị phản ứng siêu âm dạng buồng dòng chảy vào động cơ đốt trong. Khi không có chất hoạt động bề mặt, nhũ tương được tạo ra để đốt trực tiếp, không phải để lưu trữ.

Nghiên cứu điển hình về nhiên liệu nhũ tương nước–diesel

Bố trí thí nghiệm

Ithnin và cộng sự (2018) đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu nhũ tương nước trong diesel (WiDE) đối với động cơ diesel một xi lanh, phun trực tiếp. Nước và diesel được lưu trữ trong các thiết bị riêng biệt, từ đó được chuyển theo định lượng vào hệ thống trộn. Hệ thống trộn gồm sự kết hợp giữa máy trộn lực cắt cao và máy đồng nhất hóa siêu âm. Máy trộn lực cắt tạo hỗn hợp trộn sơ bộ thô của nước và diesel, trong khi quá trình xử lý siêu âm được sử dụng để tạo nhũ tương đồng đều với kích thước giọt nhỏ. Nhũ tương nước–diesel được pha chế với 5% nước. Nhiên liệu WiDE đồng nhất được chuyển trực tiếp từ hệ thống trộn vào động cơ. Nhiên liệu WiDE đã pha chế không chứa bất kỳ chất hoạt động bề mặt nào, do đó được gọi là nhiên liệu nhũ tương không ổn định về lâu dài (UW/D). Động cơ diesel được thử nghiệm ở bốn điều kiện tải khác nhau (1 kW (25%), 2 kW (50%), 3 kW (74%), 4 kW (100%)) và ở tốc độ không đổi 3000 rpm. Để so sánh các tác động như hiệu năng nhiên liệu và phát thải, nhiên liệu nhũ tương được ổn định bằng chất hoạt động bề mặt (nhũ tương ổn định (SW/D)) và nhiên liệu diesel nguyên chất (D2) cũng được thử nghiệm trên cùng động cơ. Hàm lượng nước 5% được sử dụng cho cả nhũ tương không ổn định và nhũ tương ổn định.

Kết quả

Thử nghiệm động cơ cho thấy nhiên liệu nhũ tương nước–diesel không chứa chất hoạt động bề mặt (UW/D) cải thiện đáng kể hiệu quả hoạt động của động cơ, với hiệu suất nhiệt có ích (BTE) tăng 3,59% và suất tiêu hao nhiên liệu có ích (BSFC) giảm 3,89% so với nhiên liệu diesel nguyên chất. Cả nhiên liệu nhũ tương được ổn định (SW/D) và không được ổn định (UW/D) đều làm tăng hiệu suất nhiệt của động cơ nhờ hiện tượng vi nổ. Hiện tượng vi nổ khiến các giọt nước đã nhũ hóa bay hơi nhanh chóng. Do các giọt nước rất nhỏ được dầu bao quanh, quá trình bay hơi mạnh làm các giọt bị phá vỡ dữ dội thành những hạt rất mịn, thúc đẩy sự hòa trộn giữa không khí và nhiên liệu. Sự phá vỡ giọt và hòa trộn với không khí làm tăng đáng kể hiệu suất cháy.
Kết quả cho thấy phương án sản xuất và chuyển nhiên liệu nhũ tương nước–diesel vào động cơ theo thời gian thực mà không sử dụng chất hoạt động bề mặt hoạt động rất tốt. Việc chuyển ngay hỗn hợp nước–diesel được điều chế bằng siêu âm giúp loại bỏ vấn đề ổn định nhiên liệu nhũ tương khi lưu trữ cũng như sự phụ thuộc vào chất hoạt động bề mặt. Nhiên liệu nhũ tương nước–diesel không ổn định (UW/D) duy trì trạng thái nhũ tương một cách đáng tin cậy mà không chuyển sang giai đoạn lắng trong vòng 25sec (xem hình bên dưới).

Diễn biến của các giọt trong nhiên liệu nhũ tương nước trong diesel được nhũ hóa bằng siêu âm theo thời gian a) 10 s, b) 25 s, c) 50 s và d) 132 s. (độ phóng đại 1000×) – Ithnin và cộng sự 2018

So với nhiên liệu diesel nguyên chất, nhiên liệu nhũ tương nước trong diesel có lượng phát thải oxit nitơ (NOx) và vật chất dạng hạt (PM) trong khí thải giảm đáng kể, với mức giảm trung bình lần lượt là 31,66% và 16,33%.

Nhìn chung, các nhũ tương được điều chế bằng siêu âm – dù không ổn định hay được ổn định bằng chất hoạt động bề mặt – đều giúp tiết kiệm nhiên liệu diesel và giảm phát thải khí xả.
Khí thải thân thiện hơn với môi trường và tiết kiệm nhiên liệu nhờ siêu âm!

Sự tán sương sơ cấp và thứ cấp trong ngọn lửa phun của nhiên liệu nhũ tương.

Nhũ tương ba pha

Nhũ tương ba pha bao gồm nước, dầu và chất hoạt động bề mặt. Trong quá trình nhũ hóa nước vào pha diesel bằng siêu âm, một chất hoạt động bề mặt được bổ sung. Chất nhũ hóa kéo dài thời gian ổn định của nhũ tương và cho phép lưu trữ nhiên liệu nước trong diesel. Độ ổn định của nhũ tương W/D phụ thuộc vào chất nhũ hóa, các thông số của quá trình siêu âm và nhiệt độ. Với sự kết hợp phù hợp giữa chất hoạt động bề mặt và các thông số xử lý siêu âm, có thể đạt được độ ổn định lâu dài đáng kể cho WiDE.

Việc lắp đặt và lắp bổ sung hệ thống nhũ hóa bằng siêu âm đơn giản, an toàn và ít tốn kém. Nhiên liệu nhũ tương W/D có thể được sử dụng với bất kỳ động cơ diesel thông thường nào (ví dụ: máy phát điện, động cơ xe lửa, động cơ tàu thủy) mà không cần sửa đổi.

Điều gì giúp nhiên liệu WiDE hiệu quả hơn? – Hiện tượng vi nổ

Nhiên liệu nhũ tương nước trong diesel gồm các hạt nước lơ lửng trong pha diesel liên tục. Khi cháy, các giọt nước nhỏ trong nhiên liệu nhũ tương đạt trạng thái quá nhiệt nhanh hơn diesel và gây ra sự phân rã do giãn nở hơi (nổ tự phát) trong quá trình cháy, tạo thành các hạt rất mịn. Nhờ diện tích bề mặt tăng lên của các hạt rất nhỏ kết hợp với không khí nạp, sự hòa trộn giữa không khí và nhiên liệu được cải thiện đáng kể, qua đó làm tăng hiệu suất cháy. (Ivanov, Nevedov 1965)

Hệ thống nhũ hóa bằng siêu âm hiệu suất cao

Hielscher Ultrasonics cung cấp các bộ xử lý siêu âm hiệu suất cao để sản xuất liên tục các nhũ tương (nano) chất lượng cao. Hiệu suất siêu âm vượt trội, độ bền chắc và diện tích lắp đặt nhỏ khiến máy siêu âm Hielscher trở thành hệ thống trộn lý tưởng cho nhiên liệu nhũ tương nước trong dầu diesel. Dù bạn muốn sản xuất nhiên liệu nhũ tương để phun trực tiếp vào động cơ đốt trong hay nhiên liệu nhũ tương ổn định để lưu trữ và đốt sau này, Hielscher Ultrasonics đều có cấu hình phù hợp nhất cho ứng dụng của bạn. Từ các hệ thống nhũ hóa siêu âm nhỏ hơn để tích hợp vào đầu máy đường sắt và tàu thuyền đường thủy nội địa cho đến việc tạo ra lượng lớn nhiên liệu chứa nước cho các nhà máy điện và tàu biển cỡ lớn – các cụm bộ xử lý siêu âm của chúng tôi cho phép xử lý nhiên liệu nhũ tương ở mọi thể tích.
Bên cạnh công suất siêu âm đầu ra cao, độ tin cậy và độ bền chắc, các bộ xử lý siêu âm công nghiệp của Hielscher Ultrasonics còn có thể được điều khiển và giám sát chính xác. Các cảm biến nhiệt độ và áp suất truyền dữ liệu đến bộ phát, nơi tất cả các thông số quá trình quan trọng như biên độ, năng lượng thuần và tổng năng lượng, nhiệt độ và áp suất được ghi vào thẻ SD tích hợp. Chức năng điều khiển bằng phần mềm thông minh cho phép xác lập và cài đặt chính xác các thông số quá trình để tạo ra nhiên liệu nhũ tương được tiêu chuẩn hóa với chất lượng cao liên tục. Thiết bị phản ứng siêu âm dòng chảy có áo trao đổi nhiệt có thể được làm mát hiệu quả và cho phép xử lý nhũ tương ở các mức nhiệt độ quy định. Độ bền chắc của thiết bị siêu âm của chúng tôi cho phép vận hành 24/7 ở chế độ tải nặng và trong môi trường khắc nghiệt.
Bảng dưới đây cho biết năng lực xử lý gần đúng của các máy siêu âm của chúng tôi: