تجانس الموجات فوق الصوتية للديزل وحمض الفورميك

1. المفاهيم الأساسية

الديزل: الوقود التقليدي القائم على البترول.

حمض الفورميك: حمض الكربوكسيل البسيط مع الصيغة الجزيئية hcooh. يعتبر حاملة هيدروجين سائلة واعدة وقود على أساس الكتلة الحيوية.

التجانس: هنا ، يشير إلى خلط سائلين غير قابلتين (مثل حمض الفورميك القطبي والديزل غير القطبي) إلى خليط مستقر ، مقسم وموحد ، يُعرف باسم المستحلب.

التكنولوجيا بالموجات فوق الصوتية: أداة رئيسية لتحقيق هذا التجانس.

الثاني. لماذا تجانس حمض الفورميك مع الديزل؟

قد يخدم مزج حمض الفورميك مع الديزل عدة أغراض:

كوقود إضافي/بديل أخضر:

يستبدل جزئيًا الوقود الأحفوري: يمكن إنتاج حمض الفورميك عن طريق هدرية ثاني أكسيد الكربون باستخدام مصادر الطاقة المتجددة (مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح) ، مما يجعله وقودًا سائلًا أخضرًا. يمكن أن يؤدي خلطه مع الديزل إلى تقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري وانبعاثات الكربون المنخفضة.

تحسين خصائص الاحتراق: يحتوي حمض الفورميك على الأكسجين ، والذي يمكن أن يساعد نظريًا في تحسين كفاءة احتراق الديزل ، مما يؤدي إلى احتراق أكثر اكتمالا ، وبالتالي انبعاثات السخام والجسيمات (PM).

باستخدام إصلاح الهيدروجين كحامل الهيدروجين:

هذا هو مفهوم متطور. يمكن إصلاح حمض الفورميك في درجات حرارة منخفضة على محفز لإنتاج الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون.

والفكرة هي حقن مستحلب حمض الفكين في اسطوانة المحرك. باستخدام حرارة النفايات أو المحفز ، يتحلل حمض الفورميك في الموقع ، ويطلق الهيدروجين.

يمكن أن تؤدي إضافة الهيدروجين إلى تحسين احتراق الديزل بشكل كبير ، مما يزيد بشكل كبير من الكفاءة الحرارية ، ويقلل بشكل كبير من انبعاثات أكسيد النيتروجين والجسيمات. هذا مفهوم يُعرف باسم 'إنتاج الهيدروجين داخل الأسطوانة. '

ثالثا. لماذا تختار التجانس بالموجات فوق الصوتية؟

حمض الفورميك والديزل هي سوائل غير قابلة للانضمام. التحريك الميكانيكي البسيط ينتج فقط مزيجًا خشنًا غير مستقر يفصل بسرعة. تعد الموجات فوق الصوتية واحدة من التقنيات الرائدة لإنتاج المستحلبات الفائقة والمستقرة.

مبدأ التجانس بالموجات فوق الصوتية (تأثير التجويف):

يولد المولد بالموجات فوق الصوتية إشارة كهربائية عالية التردد ، يتم تحويلها بواسطة محول إلى اهتزازات ميكانيكية عالية التردد. ينتقل هذا إلى المسبار (الإبرة) عبر القرن. يهتز المسبار بتردد عالي للغاية (على سبيل المثال ، 20 كيلو هرتز) في السائل ، مما يولد دورات متناوبة عالية ومنخفضة الضغط.

تشكيل فقاعة التجويف: خلال دورة الضغط المنخفض ، تتوسع الفقاعات الدقيقة في السائل بسرعة.

انهيار فقاعة التجويف: خلال دورة الضغط العالي اللاحقة ، يتم ضغط هذه الفقاعات وينهار بعنف بسرعات عالية للغاية (> 500 م/ث).

التجانس: في اللحظة التي تنهار فيها فقاعة التجويف ، فإنها تولد قوى قص هائلة ، وموجات الصدمة ، و microjets داخل مساحة صغيرة جدًا. هذه القوى المتطرفة تمزيق السائل المحيط بعنف ، مما كسر مرحلة الحمض الفورميك إلى قطرات النانو أو الحجم الميكرون. يتم تفريق هذه القطرات بالتساوي داخل مرحلة الديزل المستمرة ، مما يشكل مستحلبًا مستقرًا للغاية.

رابعا. نظام التجانس بالموجات فوق الصوتية وتدفق العملية

مكونات النظام:

مولد بالموجات فوق الصوتية: مصدر الطاقة والتحكم في الدماغ.

محول الطاقة: يحول الإشارات الكهربائية إلى اهتزازات ميكانيكية.

مكبر للصوت: تضخيم سعة الاهتزاز.

المسبار (الإبرة): الجزء المنغمس في السائل الذي يولد مباشرة التجويف. مصنوعة عادة من سبيكة التيتانيوم لمقاومة التآكل.

المفاعل: الوعاء الذي يحمل مزيج الديزل وخليط حمض الفورميك.

تدفق العملية:

أضف نسبة محددة من الديزل وحمض الفورميك (واختياريا استقرار مستحلب) إلى المفاعل.

غمر التحقيق بالموجات فوق الصوتية أسفل السطح السائل.

قم بتشغيل المعدات وضبط المعلمات (الطاقة ، والسعة ، ووقت العلاج ، ودرجة الحرارة).

تبدأ الموجة بالموجات فوق الصوتية في العمل ، وتحويل السائل بسرعة إلى مستحلب.

بعد العلاج ، يتم الحصول على وقود مستحلب حمض الديزل مع توزيع حجم الجسيمات بشكل جيد والاستقرار العالي.

خامسا المزايا والتحديات الفنية

المزايا:

الكفاءة: يتم تطبيق الطاقة مباشرة على السائل ، مما يؤدي إلى ارتفاع الكفاءة والتجانس السريع.

التوحيد والاستقرار: يمكن إنتاج قطرات بحجم النانو ، مما يؤدي إلى مستحلب مع استقرار أكبر بكثير من التحريك الميكانيكي.

قابلية التحكم العالية: يمكن التحكم في حجم القطرات بدقة عن طريق ضبط المعلمات مثل الطاقة والوقت.

لا حاجة إلى كميات كبيرة من المستحلبات: القوة الميكانيكية القوية تقلل من الاعتماد على السطحي.

قابلية التوسع: قابلة للتطوير خطيًا من نطاق المختبر إلى معدلات التدفق الصناعي.

التحديات والاعتبارات:

توافق المواد: يجب أن تكون حمض الفورميك تآكلًا للمعادن ، لذلك يجب أن تكون مواد النظام (على سبيل المثال ، التحقيقات والمفاعلات) مقاومة للتآكل (على سبيل المثال ، سبائك التيتانيوم ، بعض الفولاذ المقاوم للصدأ ، أو الزجاج).

استقرار المستحلب على المدى الطويل: على الرغم من أن الموجات فوق الصوتية يمكن أن تنتج قطرات جيدة للغاية ، دون مستحلب مناسب ، قد يحدث الفصل أثناء التخزين على المدى الطويل. هناك حاجة إلى البحث لتحسين صياغة المستحلب.

التأثير على خصائص الوقود: مطلوب تقييم شامل لخصائص الوقود المختلط ، مثل التشحيم ، اللزوجة ، القيمة الحرارية ، وسيولة درجات الحرارة المنخفضة ، لضمان التوافق مع محركات الديزل الحالية.

التكلفة: يجب موازنة تكلفة المعدات والعمليات بالموجات فوق الصوتية مقابل الفوائد (الحد من الانبعاثات واستبدال الوقود).

السلامة: حمض الفورميك متآكل ومزعج ، ويتطلب احتياطات السلامة المناسبة.

ملخص

تعد تجانس حمض الديزل بالموجات فوق الصوتية عملية مبتكرة تستخدم تقنية التجويف بالموجات فوق الصوتية المتقدمة لمزج حمض الفورميك ، وهو حاملة مضافة أو هيدروجين خضراء ، مع ديزل لإنتاج وقود مستحلب عالي الأداء ومستقر.

تقع قيمتها الأساسية في:

توفير مسار محتمل لتقليل الانبعاثات وزيادة الكفاءة في محركات الديزل (عن طريق إضافة الوقود المؤكسج أو إنتاج الهيدروجين في الأسطوانة).

يوفر طريقة فعالة وموثوقة ويمكن التحكم فيها لإعداد المستحلبات ، والتغلب على قيود تقنيات الخلط التقليدية.

هذه التكنولوجيا حاليا في تنمية المختبر والمرحلة التجريبية. يتطلب التطبيق الواسع في المحركات الفعلية معالجة سلسلة من التحديات الهندسية ، بما في ذلك المواد والاستقرار والتكلفة واختبار مقاعد البدلاء الشاملة للمحرك. ومع ذلك ، هذا بلا شك اتجاه بحث واعد للغاية في المجالات الطاقة والبيئية.