Ultrasonic Emulsions for Water-in-Diesel Combustion

Máy phát điện, động cơ tàu và động cơ đường sắt, được cung cấp nhiên liệu bằng dầu diesel, có thể chạy hiệu quả hơn khi sử dụng nhũ tương nước trong diesel. Nhiên liệu nhũ tương nước-diesel làm giảm mức tiêu thụ nhiên liệu, giảm nhiệt độ đốt cháy, đốt cháy sạch hơn và giảm lượng khí thải, chẳng hạn như NOx và bồ hóng. Nhũ tương siêu âm là một phương pháp đáng tin cậy, đơn giản và hiệu quả để sản xuất nhiên liệu nước trong diesel chất lượng cao.

Siêu âm nhũ tương hóa nước trong diesel

Nhũ tương nước trong Diesel (WiDE; Nhiên liệu nhũ tương W / D) là một nhiên liệu thay thế diesel được sửa đổi, chứa tới 15% nước. Còn được gọi là nhiên liệu thủy sản, trong nhũ tương nước-diesel, các giọt nước được nhũ hóa siêu âm thành pha diesel liên tục. Sonication mạnh mẽ của chất lỏng tạo ra cavitation âm thanh. Lực cắt hang động phá vỡ giọt và tạo ra nhũ tương đồng nhất của các pha nước và diesel không thể trộn lẫn.

Nhũ tương nước trong diesel

WiDE (nhũ tương W / D) được định nghĩa là sự pha trộn của các chất lỏng tự nhiên không thể trộn lẫn của các giọt nước (pha phân tán / bên trong) trong dầu diesel (pha liên tục / bên ngoài). Một chất nhũ hóa được thêm vào ở nồng độ thấp để cải thiện độ ổn định nhũ tương và giảm yêu cầu năng lượng trộn.

nhũ tương hai pha

Nhũ tương hai pha mô tả hỗn hợp nước trong dầu diesel mà không sử dụng bất kỳ chất hoạt động bề mặt nào. Đối với WiDE hai pha, các luồng cấp nước và diesel được nhũ hóa siêu âm ngay phía trước động cơ. Nhũ tương nước trong diesel hai pha siêu âm đi trực tiếp từ lò phản ứng tế bào dòng chảy siêu âm vào động cơ đốt. Không có chất hoạt động bề mặt, nhũ tương không được tạo ra để lưu trữ, mà để đốt cháy trực tiếp.

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

Thiết lập

Ithnin et al. (2018) đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu nhũ tương nước trong diesel (WiDE) đối với một động cơ diesel phun xăng trực tiếp, xi-lanh đơn. Nước và dầu diesel được lưu trữ trong các đơn vị khác nhau, từ đó chúng đã được chuyển định lượng vào một hệ thống trộn. Hệ thống trộn bao gồm sự kết hợp của máy trộn cắt cao và máy đồng nhất siêu âm. Máy trộn cắt cung cấp hỗn hợp trộn trước thô của nước và dầu diesel, trong khi sonication được sử dụng cho nhũ tương đồng đều, có kích thước tốt. Nhũ tương nước-diesel được chuẩn bị với 5% nước. Nhiên liệu WiDE đồng nhất được chuyển trực tiếp từ hệ thống trộn vào động cơ. Nhiên liệu WiDE đã chuẩn bị không chứa bất kỳ chất hoạt động bề mặt nào, do đó được gọi là nhiên liệu nhũ tương không ổn định lâu dài (UW / D). Động cơ diesel đã được thử nghiệm trong bốn điều kiện tải khác nhau (1 kW (25%), 2 kW (50%), 3 kW (74%), 4 kW (100%)) và với tốc độ không đổi 3000 vòng / phút. Để so sánh các hiệu ứng như hiệu suất nhiên liệu và khí thải, nhiên liệu nhũ tương ổn định chất hoạt động bề mặt (nhũ tương ổn định (SW / D)) và nhiên liệu diesel gọn gàng (D2) cũng đã được thử nghiệm trên cùng một động cơ. 5% nước 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 có chất hoạt động bề mặt (UW / D) dẫn đến cải thiện đáng kể động cơ với hiệu suất nhiệt phanh (BTE) tăng 3,59% và giảm 3,89% mức tiêu thụ nhiên liệu cụ thể của phanh (BSFC) so với nhiên liệu diesel gọn gàng. Nhiên liệu nhũ tương, cả ổn định (SW / D) và không ổn định (UW / D), làm tăng hiệu suất nhiệt của động cơ do hiện tượng nổ vi mô. Hiện tượng nổ vi mô gây ra sự bốc hơi nhanh chóng của các giọt nước nhũ hóa. Vì các giọt nước nhỏ được bao quanh trong dầu, quá trình bay hơi mạnh làm gián đoạn các giọt dữ dội thành các hạt rất mịn, thúc đẩy sự trộn lẫn của không khí và nhiên liệu. Sự gián đoạn giọt nước và trộn với không khí làm tăng hiệu quả đốt cháy đáng kể.
Kết quả cho thấy khái niệm sản xuất và chuyển nhiên liệu nhũ tương nước-diesel trong thời gian thực vào động cơ mà không sử dụng chất hoạt động bề mặt hoạt động rất tốt. Việc chuyển ngay lập tức hỗn hợp nước-diesel được chuẩn bị siêu âm giúp loại bỏ vấn đề ổn định cho nhiên liệu nhũ tương được 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 đáng tin cậy dạng nhũ tương của nó mà không đạt đến giai đoạn lắng trong vòng 25 giây (xem hình bên dưới).

Hành vi giọt của nhiên liệu nhũ tương ater-in-diesel nhũ hóa siêu âm theo thời gian a) 10 giây, b) 25 giây, c) 50 giây và d) 132 giây. (độ phóng đại 1000×) – Ithnin và cộng sự 2018

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

Nhìn chung, nhũ tương chuẩn bị siêu âm – wether không ổn định hoặc ổn định bởi chất hoạt động bề mặt – giúp tiết kiệm nhiên liệu diesel, và giảm lượng khí thải.
Phát thải khí thải xanh hơn và tiết kiệm nhiên liệu với siêu âm!

Nguyên tử hóa sơ cấp và thứ cấp trong ngọn lửa phun của nhiên liệu nhũ hóa.

Nhũ tương pha bậc ba

Nhũ tương pha bậc ba, còn được gọi là nhũ tương ba pha, bao gồm nước, dầu và chất hoạt động bề mặt. Trong quá trình nhũ tương siêu âm của nước vào pha diesel, một chất hoạt động bề mặt được thêm vào. Chất nhũ hóa kéo dài độ ổn định nhũ tương và cho phép lưu trữ nhiên liệu nước trong diesel. Độ ổn định nhũ tương W / D phụ thuộc vào chất nhũ hóa, các thông số quá trình siêu âm và nhiệt độ. Với sự kết hợp đúng đắn của các thông số hoạt động bề mặt và sonication, có thể đạt được sự ổn định lâu dài đáng kể của WiDE.

Việc lắp đặt và lắp đặt thêm hệ thống nhũ tương siêu âm rất đơn giản, an toàn và không tốn kém. Nhiên liệu nhũ tương W / D có thể được sử dụng kết hợp với bất kỳ động cơ diesel thông thường nào (ví dụ: máy phát điện, động cơ đường sắt, động cơ tàu) mà không cần sửa đổi.

Điều gì làm cho nhiên liệu WiDE hiệu quả hơn? – Hiện tượng nổ vi mô

Nhiên liệu nhũ tương Water-in-Diesel bao gồm các hạt nước lơ lửng trong pha diesel liên tục. Khi đốt cháy, các giọt nước có kích thước nhỏ trong nhiên liệu nhũ tương đạt đến giai đoạn quá nhiệt nhanh hơn dầu diesel và tạo ra sự phá vỡ giãn nở hơi (nổ tự phát) trong quá trình đốt cháy, tạo ra các hạt rất mịn. Do diện tích bề mặt của các hạt nhỏ tăng lên kết hợp với khí nạp, việc trộn không khí và nhiên liệu được cải thiện đáng kể và do đó tăng hiệu quả đốt cháy. (Ivanov, Nevedov 1965)

Hệ thống nhũ tương siêu âm hiệu suất cao

Hielscher Ultrasonics cung cấp bộ vi xử lý siêu âm hiệu suất cao để sản xuất liên tục các nhũ tương chất lượng cao (nano-). Hiệu suất siêu âm vượt trội, mạnh mẽ, và một dấu chân nhỏ làm cho Hielscher Ultrasonicators hệ thống trộn lý tưởng cho nhiên liệu nhũ tương nước-trong-diesel. Cho dù bạn muốn sản xuất nhiên liệu nhũ tương để phun trực tiếp vào động cơ đốt trong hoặc nhiên liệu nhũ tương ổn định để lưu trữ và đốt cháy sau này, Hielscher Ultrasonics có thiết lập phù hợp nhất cho ứng dụng của bạn. Từ các hệ thống nhũ tương siêu âm nhỏ hơn để tích hợp trong đầu máy xe lửa và tàu biển nội địa cho đến việc tạo ra khối lượng nhiên liệu thủy sản lớn cho các nhà máy điện và tàu biển khổng lồ – Các cụm bộ vi xử lý siêu âm của chúng tôi cho phép xử lý nhiên liệu nhũ tương của bất kỳ khối lượng nào.
Bên cạnh sản lượng siêu âm cao, độ tin cậy và mạnh mẽ, Hielscher Ultrasonics’ Bộ vi xử lý siêu âm công nghiệp có thể được kiểm soát và giám sát chính xác. Cảm biến nhiệt độ và áp suất truyền dữ liệu đến máy phát, trong đó tất cả các thông số quy trình quan trọng như biên độ, ròng và tổng năng lượng, nhiệt độ và áp suất được ghi lại trên thẻ SD tích hợp. Điều khiển phần mềm thông minh cho phép thiết lập và thiết lập các thông số quy trình chính xác cho nhiên liệu nhũ tương tiêu chuẩn có chất lượng cao liên tục. Lò phản ứng dòng chảy siêu âm có thể được làm mát hiệu quả và cho phép xử lý nhũ tương ở nhiệt độ quy định. Sự mạnh mẽ của thiết bị siêu âm của chúng tôi cho phép hoạt động 24/7 ở nhiệm vụ nặng nề và trong môi trường đòi hỏi khắt khe.
Bảng dưới đây cung cấp cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của ultrasonicators của chúng tôi: