Optical diagnostics for W/O emulsification within impinging flow and right angle mini-channel

Diagnostics optiques d’une émulsification W/O à travers un mini-canal en configuration d’écoulement à jets impactants et dans un coude droit

¹ LUNAM Université, Université de Nantes, CNRS, LTN, UMR-6607, B.P. 50609, 44306 Nantes cedex 3, France
email : Arab.Belkadi@univ-nantes.fr, Dominique.Tarlet@univ-nantes.fr, Jerome.Bellettre@univ-nantes.fr
² LUNAM Université, Université de Nantes, CNRS, GEPEA, UMR-6144, B.P. 406, 44602 Saint-Nazaire, France
email : Agnes.Montillet@univ-nantes.fr
³ Istituto Motori - CNR, Via Marconi 8, 80125 Napoli, Italy
email : p.massoli@im.cnr.it

Abstract

The emulsification is well known for being considered as a solution for improving biodiesel combustion. In this extent, the size of the dispersed droplets is crucial to favour micro-explosions and optimising the combustion. The present mini-channel operates liquid/liquid dispersion at higher flow rates than with usual implementations of minichannels and micro-channels. Due to this particular condition of functioning, the flow enhanced in the mini channel is classified as a high-speed emulsifying one. In this study, the dispersion of water into sunflower oil as a water-in-oil (w/o) emulsion is tested. In such an in-line process, high-shear implies higher velocities at smaller scales, making an optical visualisation difficult. But the light scattering technique enables to detect micro-scaled droplets, at the required high velocities. The proper design and exploitation of a focalised laser beam through a transparent, hydrophobic mini-channel is explained. A focalised laser beam is crossing the mini-channel, dealing with the scattering cross sections of the water droplets. The measurement of the collected beam is successfully matched to the geometrical properties of the emulsion (water fraction and size of inner droplets) through the classical light scattering theoretical basement. The calibration of the collected laser light technique obtained in the straight mini-channel is followed by measurements approaching the high shear rate zone of the cross-flowing mini-channel

Résumé

L’émulsification est l’un des moyens permettant d’améliorer la combustion du biodiesel. A cet effet, la taille des gouttes dispersées est déterminante sur le phénomène de micro-explosion. Dans cette étude, la dispersion d’eau dans l’huile de tournesol (une émulsion (w/o)) est produite dans un dispositif permettant de réaliser une dispersion liquide/ liquide à fort débit comparativement aux systèmes conventionnels basés sur des mini-canaux et micro-canaux. Dans un tel processus, les vitesses imposées sont élevées et impliquent un cisaillement important, à une si petite échelle que la visualisation optique est rendue difficile. En revanche, la technique d’extinction permet de détecter les microgouttelettes, lancées à grande vitesse. Le développement et l’adaptation de cette technique, fondée sur un rayon laser focalisé, à l’écoulement de l’émulsion dans un mini-canal, transparent et hydrophobe sont explicités. Le rayon laser focalisé traversant le mini-canal est affecté par les sections efficaces des gouttelettes. La mesure du rayon transmis est reliée aux propriétés géométriques de l’émulsion (la fraction d’eau et la taille de gouttelettes) en se basant sur la théorie de l’extinction classique. Une fois la calibration de la technique d’extinction obtenue à travers le mini-canal droit, des mesures ont été effectuées avec la configuration de type cross-flowing de l’écoulement. L’étude est focalisée sur la zone du croisement où des conditions spécifiques règnent, à savoir: un fort cisaillement