El efecto de cavitación ultrasónica se refiere a la compresión y expansión alternadas de moléculas líquidas a medida que el ultrasonido se propaga en un líquido. Cuando la presión acústica alcanza un valor crítico, se forman numerosas y diminutas burbujas de cavitación en el combustible diésel. Estas burbujas de cavitación se expanden rápidamente y colapsan violentamente en un tiempo extremadamente corto (nanosegundos), liberando instantáneamente temperaturas locales extremadamente altas (por encima de 5000 K) y presiones (cientos de MPa), al mismo tiempo que generan fuertes ondas de choque, microchorros y fuerzas de corte. Este ambiente físico extremo altera el equilibrio de la estructura molecular original en el combustible diesel, logrando múltiples efectos de tratamiento: por un lado, la intensa fuerza de corte descompone grandes grupos moleculares, partículas de impurezas y agua en el combustible diesel en partículas de tamaño micrométrico o incluso nanométrico, dispersándolas uniformemente por todo el combustible diesel; por otro lado, la alta temperatura y presión generada por el efecto de cavitación acelera la transformación y separación de componentes nocivos en el combustible diesel, creando condiciones favorables para su posterior tratamiento de depuración. Además del efecto de cavitación, el efecto mecánico del ultrasonido puede generar vibraciones continuas de alta frecuencia en el combustible diesel, mejorando la mezcla de medios y la uniformidad del procesamiento. El efecto térmico, a través de la conversión parcial de energía ultrasónica, eleva ligeramente la temperatura del combustible diesel, ayudando a optimizar la eficiencia del procesamiento sin dañar las propiedades físicas y químicas del combustible diesel, manteniendo así sus características de combustible durante todo el proceso.
Emulsificación diésel por ultrasonidos: Mejora la eficiencia de la combustión y reduce las emisiones contaminantes.
La emulsificación ultrasónica es una de las aplicaciones principales del tratamiento ultrasónico de combustible diesel. Su principio básico es formar una emulsión agua/diésel (WIDE) homogénea y estable bajo la acción de cavitación ultrasónica, con un contenido de agua que suele oscilar entre el 5% y el 25%. Dado que el agua y el combustible diesel son inmiscibles, la fuerza de corte por cavitación del ultrasonido puede romper las gotas de agua en partículas a nanoescala, dispersándolas uniformemente dentro del combustible diesel para formar un sistema de emulsión estable. Esto elimina la necesidad de grandes cantidades de emulsionantes químicos o requiere sólo una pequeña cantidad para mejorar la estabilidad.
Este combustible diesel emulsionado ofrece importantes ventajas durante la combustión: cuando ingresa a la cámara de combustión, las gotas de agua se vaporizan rápidamente y se expanden a altas temperaturas, rompiendo la tensión superficial de las gotas de combustible diesel y logrando una atomización secundaria. Esto aumenta significativamente el área de contacto entre el combustible diesel y el aire, lo que resulta en una combustión más completa y reduce efectivamente el consumo de combustible en aproximadamente un 5%. En algunos escenarios, la eficiencia del combustible se puede mejorar en un 15%-20%. Simultáneamente, el proceso de vaporización de las gotas de agua absorbe una gran cantidad de calor, disminuyendo la temperatura de combustión adiabática local en la cámara de combustión, reduciendo así las emisiones de óxido de nitrógeno (NOx) hasta en un 40% y las emisiones de partículas (PM) en más de un 30%, e incluso eliminando por completo el humo negro producido por la combustión de diésel, reduciendo significativamente la contaminación ambiental. Además, el diésel emulsionado puede reducir los depósitos de carbón dentro de los motores, reducir el desgaste del equipo y prolongar la vida útil del motor, lo que lo hace adecuado para escenarios de consumo de diésel como flotas logísticas, motores de barcos y grupos electrógenos.
Actualmente, las empresas nacionales han logrado una producción a gran escala de equipos diésel emulsionados por ultrasonidos, con una sola unidad procesando hasta 20 toneladas por día y una estabilidad de la emulsificación (sin estratificación después de 48 horas) que alcanza el 99%. Este equipo se ha aplicado a proyectos de optimización de combustible en empresas como Sinopec y PetroChina, ayudando a grandes empresas de logística a reducir significativamente los costos de combustible.