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Verbrenungsverfahren zum Verbrennen einer guten Emulsion aus Brennstoff
und Wasser Die Verbrennung von flüssigem Brennstoff, wie flüssige Kohlenwasserstoffe,
stellt ein übliches Verfahren zur Energie-und/oder Wärmeerzeugung dar. Die Verbrennung
kann in einer Anordnung stattfinden, in der die Wärme an ein anderes Medium , wie
Wasser übertragen wird, wobei das Wasser siedet oder nicht; oder der Brennstoff
kann in verschiedenen Arten von Brennkraftmaschinen verbrannt werden, die beispielsweise
nach dem Otto-, Diesel- oder einem anderen Prozeß arbeiten. Die Sauerstoffmenge,
im allgemeinen Luft, reicht zumindest theoretischlrgefähr für eine vollständige
Verbrennung des Brennstoffs aus.
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Es haben sich allerdings beträchtliche Schwierigkeiten eingestellt.
Wenn ein sehr großer Überschuß an Sauerstoff vorhanden ist, nimmt der Wirkungsgrad
des Verbrennungsvorgangs ab, da eine beträchtliche Luftmenge ,einschließlich inertem
Stickstoff erhitzt werden muß. Bei Brennkraftmaschinen, die mit einem sehr großen
Überschuß an Sauerstoff arbeiten, kann sich eine langsame Verbrennung ergeben, bei
der die Auslaßventile überhitzt und ausgebrannt werden können. Wenn bei der Verbrennung
die Sauerstoff- und Brennstoffmengen sich
etwa im Gleichgewicht
befinden, wenn beispielsweise nur ein geringer Überschuß an Sauerstoff vorhanden
ist, stellen sich Schwierigkeiten aufgrund einer unvollständigen Verbrennung ein.
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Dies kann zu sehr großen Mengen Kohlenmonoxyd und/oder unvollständig
verbranntem Brennstoff führen, was an unverbrannten Kohlenwasserstoffen, Ruß und
ähnlichem zu erkennen ist. Eine unvollständige Verbrennung mindert ebenfalls den
Verbrennungswirkungsgrad und kann die Einrichtung verunreinigen. Bei Brennkraftmaschinen
führen unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Eohlenmonoxyde und Stickstoffoxyde der allgemeinen
Formel NOxzu einer ernstzunehmenden Verschmutzung der Luft, was wiederum zu einer
Zunahme des photockemischen Smogs und ähnlichem führt. Eine Verunreinigung durch
Stickstoffoxyde ergibt sich bei einer Brennkraftmaschine im allgemeinen dann, wenn
die Verbrennungstemperatur hoch ist.
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Es wurde daher bereits vorgeschlagen, Wasser in einen Brenner einzuleiten
oder Wasser in eine im Betrieb befindliche Brennkraftmaschine einzuspritzen. Dies
wurde gemacht, um den unvollständig verbrannten Brennstoff, der sich in Form von
Kohlenstoff absetzt, etwas zu vermindern; bei Brennkraftmaschinen kann die Stickstofioxyderzeugung
etwas gesenkt und in bestimmten Fällen, beispielsweise bei Flugzeugkolbenmotoren
kann kurze Zeit bei höherer Leistung mit sehr fetten Mischungen gearbeitet werden,
was sonst zu einem Ausbrennen der Maschine führen würde. Das Einspritzen von Wasser
hat jedoch schwerwiegende Nachteile. Vor allem ist es sehr schwierig, die entsprechenden
Wasser- und Brennstoffmengen genau zu steuern.
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Selbst wenn die Steuerung in ausreichendem Maße durchgeführt wird,
nimmt der Wirkungsgrad doch ab, da das Wasser mit einer äußerst hohen Verdampfungswärme
verdampft werden und bei der Verbrennung erhitzt werden muß, wozu wegen der hohen
speziiischen Wärme des Wasserdampfs weitere Energie erforderlich ist.
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Das Einspritzen des Wassers ist daher praktisch nur in seltenen Fällen
angewandt worden.
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Gemäß der Erfindung brennt eine mit Schall emulgierte, äußerst
feine
Emulsion aus Wasser und flüssigem Brennstoff, im allgemeinen kohlenwasserstoffhaltiger
Brennstoff, in dem Wassertröpfchen in einer äußerst feinen, mittleren Partikelgröße
dispergiert sind. Obwohl die Erfindung nicht ausschließlich auf die genaue DuroShfülirung
des Verfahrens beschränkt ist, bei dem die Emulsion erzeugt wird, wird vorzugsweise
mit Hilfe einer Ultraschallsonde oder einerähnlichen Einrichtung emulgiert, die
den Brennstoff und das Wasser vermischt, um eine äußerst fein dispergierte Emulsion
zu erzeugen, da es die feine Dispersion ist, die zu den beachtlichen neuen Ergebnissen
führt, die unten aufgeführt sind; nur das Vorhandensein l-on Wasser reicht nicht
aus.
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Wenn gemäß der Erfindung eine sehr feine Emu-lsion verbrannt wird,
die etwa lOaso bis ungefähr 50°10 Wasser enthalten kann, ergibt sich eine äußerst
saubere Verbrennung und die Verschmutzug und Verunreinigung werden auf ein Minimum
herabgestzt; ein gerader, atmosphärischer Brenner mit bis zu 30% Wasser führt zu
Ergebnissen, bei denen-die durch die Verbrennung erhaltene Wärme im wesentlichen
dieselbe ist, wie wenn der ganze Kohlenwaszers-toff-Brellnstoff verbrannt-wurde.
Mit anderen Worten, bei 70tlo Brennstoff und 30% Wasser erzeugt die Emulsion dieselbe
Wärmemenge. Dieses überraschende Ergebnis ist wiederholt überprüft worden; obwohl
die vorliegende Erfindung nicht auf eine bestimmte Theorie beschränkt werden soll,
scheint es wahrscheinlich, daß die-Verbrennung der Emulsion erheblich vollständiger
ist, so daß die geringere Brennstoffmenge vollständig verbrannt wird und dieselbe
Endwärme erreicht wird,' wie in den Fällen, wo kein Wasser vorhanden ist. Die vorerwähnten
Angaben sind im Hinblick auf eine Anordnung gemacht worden bei der die Oberflächen,
welche erwärmt sind, auf einer so ausreichend hohen Temperatur liegen, daß der Wasserdampf
nicht kondensieren kann. Mit anderen Worten, das neue Ergebnis beruht nicht zu einem
Teil auf der Kondensation von Wasserdampf an-kühleren Flächen. Bei einer 3rennkraftmaschine
sind die Flächen nicht nur heiß, sondern die Auspuffgase verlassen den Zylinder
mit einer Temperatur, die weit über dem Sondensationspunkt
von
Wasserdampf liegt.
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Obwohl bei der Anwendwig der vorliegenden Erfindung auf Bremlkraftmaschinen
die Ge samt energiemenge genauso groß oder unter Umständen sogar größer sein kann,
ist die höchste Flammentemperatur im allgemeinen niedriger; es scheint wahrscheinlich,
daß die verminderte Ausströmung von Stickstoffoxyden hauptslichlich auf diesem Faktor
beruht. Es ist aber nicht bekannt, auch kann der Wasserdampf, der verglichen mit
den l'*ohlendioxyden in größeren Mengen vorhanden ist, ebenfalls teilweise eine
Rolle spielen. Die Erfindung soll daher nicht auf eine bestimmte Theorie beschränkt
werden, und die vorerwähnten Ausführungen sind nur gemacht, da die vorerwähnten
Faktoren zumindest einige, unter Umständen aber die einzigen in Frage kommenden
Faktoren sind.
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Die Erfindung ist auch nicht auf einen bestimmten Zeitpunkt bei dem
gesamten Verbrennungsvorgang beschränkt, wenn die sehr feine Wasser-Ol-Emulsion
(tatsächlich) erzeugt wird. Dies kann zu dem Zeitpunkt erfolgen, wo die Zerstäubung
gerade vorher stattfindet, oder zum Zündzeitpunkt.- Dies ist aber nicht notwendig,
die Emulsion kann auch in dem vorher gebildeten Zu -stand zu der Brennerdüse befördert
werden. Insbesondere bei den bevorzugten, durch Schailmischung erzeugten Emulsionen
ist die Emulsion sehr stabil und kann daher an einer von dem Brenner weit entfernt
liegenden Stelle hergestellt werden; eine solche Abwandlung ist von der Erfindung
natürlich ebenfalls mitumfaßt. Auch ist eine Emulsion möglich, die durch fließendes
Wasser und Öl über dem Emulgierungspunkt, vorzugsweise am Ende der Schallsonde derart
gebildet ist, daß die Emulson an derselben Stelle oder praktisch an derselben Stelle
gebildet wird, wo die Zerstäubung in der Flamme stattfindet.
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Bei einer Zerstäubung mittels Schall, insbesondere bei Brennkraftmaschinen
ist es beinahe immer vorzuziehen, den Wasser-und Brennstoffstrom gerade vor dem
Zerstäubungspunkt zusammenzubringen. Natürlich ist es auch möglich, eine bereits
gebildete Emulsion dem Schallzerstäuber zuzuführen; dies erfordert
aber
einen gesonderten Vertahrensschritt und die Ergebnisse sind nicht wesentlich besser.
Insbesondere bei einer Schallzerstäubung für eine Verbrennung oder sogar noch mehr
bei Brennlçraftmaschinen wird daher im allgemeinen die Emulsion verwendet, die zu
dem Zeitpunkt oder als Teil der Zerstäubung von der Zerstäubungsvorrichtung gebildet
ist.
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Es ist ein großer Vorteil der Erfindung, daß keine Emulgierungsmittel
verwendet werden müssen, insbesondere wenn eine Emulgierung mittels Schall benutzt
wird. Hierdurch ist ein zusätzlicher Verfahrensschritt eingespart und dadurch die
Emulgierungskosten vermindert, obwohl bei der vorliegenden Erfindung eine Emulsion
nicht ausgeschlossen ist, die in Gegenwart einer geringen Menge eines Emulgierungsmittels,
beispielsweise einer geringen Menge, im allgemeinen einem Bruchteil eines Prozents,
eines Dialkylsulfosuccinats oder eines anderen allgemein bekannten Emulgierungsmittels
hergestellt worden ist, das die Bildung von Wasser-Öl-Emulsionen erleichtern kann.
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Für diesen Fall, der im allgemeinen nicht bevorzugt wird, kann bei
der Erfindung irgend ein bekanntes Emulgierungsmittel verwendet werden.
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Gewöhnlich ergeben sich größere Schwierigkeiten beider Verbrennung
von schwerem Rückstandsöl, wo häufig eine Erhitzung mittels Dampf erforderlich ist.
Bei der Erfindung emulgiert aber Schweröl leichter als Leichtöl; wenn es mit einer
beträchtlichen Wassermenge emulgiert wird, ist die Viskosität niedrig genug, so
daß es ohne Vorerwärmung verbrannt werden kann. Dies ist ein zusätzlicher Vorteil
bei der Verwendung von schweren Olen. Warum das Schweröl leichter und bei einer
niedrigeren Viskosität emulgiert, ist noch nicht mit letzter Sicherheit festgestellt
worden. Es ist möglich, daß das Schweröl Verunreinigungen enthält, die die Emulgierung
unterstützen und in reineren, leichteren Heizölen nicht vorhanden sind. Die Erfindung
ist aber auch auf diese Theorie nicht beschränkt.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand
von
bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
im einzelnen erläutert. Es zeigen: Fig.i in schaubildlicher Darstellung einen Schallemulgator
und einen Brenner; Fig.2 in etwas größerem Maßstab und teilweise im Schnitt Einzelheiten
des Emulgators; Fig.3 eine halb-schaubildliche Darstellung eines kombinierten Schallzerstäubers
und eines Emulgators, wie sie insbesondere bei Brennkraftmaschinen verwendet werden;
Fig.4 eine Darstellung einer Emulgator- und Brennereinheit, insbesondere für größere
Einheiten; und Fig.5 eine Vorderansicht der vergrößerten Platte am Ende der Sonde.
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In Fig.i ist ein Schallgenerator 1 dargestellt, von dem eine Schallsonde
2 in Form eines akustischen Wandlers betrieben wird, dessen Ende 9 durch eine elastisch
nachgiebige Dichtung 4, die genau am Knotenpunkt der Schallsonde angeordnet ist,
in eine Kammer 3 verläuft. Brennstoff, beispielsweise Haushaltsheizöl, wird über
eine Leitung 5 zugeführt und vereinigt sich mit einem über eine Leitung 7 zugeführten
Wasserstrom in einem betriebssicheren, durch den Brennstoffdruck geöffneten Ventil
18. Diese beiden Ströme treffen auf das schwingende Ende 9 der Schallsonde, wie
am besten in Fig.2 zu erkennen ist, wo ein Teil der Kammer 3 im Schnitt dargestellt
ist. Die starke Schallmischung emulgiert die zwei Ströme, die dann die Kammer in
axialer Richtung durch einen Auslaßkanal 6 in einer Platte 10 verlassen, die nahe
an dem schwingenden Ende 9 der Schallsonde angeordnet ist. Von dem Auslaßkanal 6
strömt die Emulsion in eine nicht dargestellte Brennkammer eines herkömmlichen Brenners
8. Luft wird an der Stelle ii zugeführt, und es ergibt sich eine Flamme. Währand
die Brennstoff-Wasser-Verhältnisse über einen großen Bereich variieren können, beispielsweise
von ungefähr 10% Wasser bis ungefähr 50* Wasser, ergibt sich eine sehr geeignete
Mischung bei ungefähr 70% Brennstoff und 30; Wasser.
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Die Schallsonde 2 weist einen herkömmlichen AuSbau aus einem Stapel
nicht dargestellter piezoelektrischer Platten, die über ein Kabel 12 von einem ebenfalls
nicht dargestellten, geeigneten Hochfrequenzoszillator erregt werden, der beispielsweise
bei einer Frequenz von ungefähr 20 000 Hz arbeitet. Die Platte 9 am Ende der Schall
sonde kann eine flache Platte oder auch nit einer geeigneten Schallwand, beispielsweise
mit einer spiralförmigen Schallwand versehen sein, um die Verweildauer in dem starken
Schallmischungsfeld zu verlängern. Der Aufbau des Schallemulgators hat im einzelnen
nichts mit der vorliegenden Erfindung zu tun; in der Zeichnung ist lediglich eine
typische Ausführungsform dargestellt.
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In den Fig.4 und 5 ist eine Emulgator-Brennereinheit für Feuerungsanlagen
dargestellt. Dieselben Elemente sind mit denselben Bezugszeichen wie in den Fig.i
bis 3 beBeichnet. Das Ende der Sondenspitze weist die allgemeine in Fig.3 dargestellte
Form auf, die im einzelnen unten beschrieben wird; die Teile tragen dieselben Bezugszeichen
wie in Fig.3. In Fig.4 ist ein Gesamtgehäuse dargestellt, durch welches Luft mittels
eines Gebläses 13 geblasen wird. Diese Luft strömt über den Ultraschallgenera tor,
kühlt ihn, was bei einem großen Brenner erforderlich ist, und strömt schließlich
über das Ende des Gehäuses 15. Die Brennstoff- und Wasserströme gelangen in einen
ringförmigen Raum zwischen dem Gehäuse 15 und der Schallsonde. Letztere ist mit
einer Abschlußplatte versehen, die eine Reihe von kleinen ringförmigen Vertiefungen
11 mit einem mittig angeordneten Vorsprung 12 aufweist, der in dem Ring ausgebildet
ist. Dies ist in Fig.5 dargestellt. Der Zwischenraum zwischen dem Ende des Gehäuses
und der Platte 10 ist ziemlich eng und in Fig.4 der Deutlichkeit halber etwas übertrieben
groß dargestellt. Ein Brennstoff-Wasserfilm fließt über die Platte, wo er emulgiert,
zerstäubt und unter Bildung einer Flamme senkrecht dazu eine gewisse Strecke weggeschleudert
wird, wie bei 19 in Fig dargestellt ist.
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In einem Kessel wurden die Verbrennungsresultate zu entsprechenden
Zeiten
gemessen, um das Wasser in der Kesselverkleidung von einer bestimmten Temperatur
auf eine Teperatur gerade unter seinem Siedepunkt zu bringen. In einer Versuchsreihe
zur den die entsprechenden Heizleistungen genau gemessen; sie sind in der folgenden
Tabelle aufgeführt, in der die Ergebnisse von acht Versuchen dargestellt sind; bei
den Versuchen i bis 5 ist unvermischtes i 2-Haushaltsheizöl und bei den Versuchen
6 bis 8 eine Mischung aus 70% Öl und 30% Wasser verwendet worden.
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Temperatur (i) Temperatur (2) Zeit Material 1500 1920 oi 2. 1500
1940 4-13" ö1 3. 1500 1940 4-14" ö1 4. 1460 1920 4-6 ö1 5. 1440 1940 3-40 ö1 6.
1,460 1940 3-30 600 ö1 325 Wasser 7. 1440 1920 4-20 850 Öl 200 Wasser 8. 1440 1960
l-iG 800 Öl 250 Wasser Die Kesseloberflächen wurden bei den Versuchen sorfältig
untersucht und waren sauber. Es wurde a ne Flamme erzeugt, die weißer war; es strömte
kein sichtbarer Rauch aus dem Kamin, und eine Abgasanalyse ergab eine vollständigere
und vollkommenere Verbrennung.
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In Fig.3 ist eine Abwandlung insbesondere für Brennkraftmaschinen
dargestellt. Die Ultraschallsonde ist mit denselben Bezugszeichen bezeichnet wie
in den Fig.1 und 2, aber,, wie in den Fig.4 und 5 ist die Form des Sondenendes etwas
verschieden; es ist in eine Platte 10 ausgeweitet. Die Platte ist glatt bzw.
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in sich eben und weist keine ringförmigen Vertiefungen wie in Fig.4
auf. Benzin wird über die Leitung 14 in einen ringförmigen Raum zwischen der SDnde
und einem Gehäuse 15, und Wasser über eine Leitung 13 zugeführt. Je zwei Flüssigkeiten
fließen
nach unten, bis sie aut die Kante der ausgeweiteten Platte
10 treffen, wo sie entlang der Plattenoberfläche weiterströmen, zerstäubt und gleichzeitig
emulgiert werden. Luft wird der zerstäubten Emulsion über einen Luftkanal 16 zugeführt;die
sich ergebende Mischung wird dann in die Verteilerleitung einer nicht dargestellten
Brennkraftmaschine eingespeist.
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Die Platte 10 steht über das Gehäuse hinaus vor; der Zwischenraum
zwischen dem Gehäuse und der Ultraschallsonde ist in Fig.4 übertrieben groß dargestellt;
die starke Schallmischung der Platte schleudert eine fein verteilte Emulsion von
den oberen Flächen des Vorsprungs hoch. Da die Ausführungsform in Fig.3 für einen
Anschluß an eine Verteilerleitung einer Brennkraftmaschine ausgelegt ist, ist im
allgemeinen ein gewisses Vakuum vorhanden; dies bewirkt, daß die Emulsion um die
Kante der Platte herumgerissen wird, wie durch pfeile dargestellt ist.
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Es findet eine sorgfältige Mischung der Luft statt, es ist aber nicht
notwendig, daß die Emulsion von der Schalischwingung in das Verteilerrohr geschleudertwird,
während es bei dem in Fig.4 dargestellten, horizontal angeordneten Brenner notwendig
ist, damit sich die feine, in der Gebläseluft zerstäubte Emulsion zur Ausbildung
der Brennerflamme in horizontaler Richtung bewegt. Aus diesem Grund ist auch die
unmittelbare Berührung der Platte mit dem über sie fließenden Brennstoff- und Wasserfilm
auf ihrer Vorderfläche vorgesehen, damit er zur Ausbildung der Brennerflamme in
die Richtung geschleudert wird; denn bei einem normalen Brenner ist natürlich kein
Vakuum vor handen, wie es in einer Brennkraftmaschine-Verteilerleitung existiert.
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In den Fig.3 und 4 sind verschiedene Ausführungsformen yon UltrasElallsonden
und Emulsionsbildungsplatten dargestellt; die Erfindung ist aber nicht auf die genau
dargestellten Formen und auch nicht auf die flache, in Fig.2 dargestellte Abschlußfläche
beschränkt. Es sind einfach Darstellungen typischer Ausführungsformen, auf deren
Einzelheiten die Erfindung aber nicht
beschränkt ist. Die mit einer
in der Luft zerstäubten Benzin-Wasser-Emulsion gespeiste Brennkraftmaschine lief
mit derselben Leistung wie bei reinem Benzin; dia Verunreinigungsstoffe wurden aber
stark reduziert und zwar wurden unverbrannte Kohlenwasserstoffe praktisch auf null,
Kohlenmomoxyde stark und Stickstoffoxyde noch mehr reduziert. Die folgenden Zahlenangaben
geben die Konzentrationen der Verunreinigungsstoffe an; die Maschine lief unter
Last mit ungefähr 5 000 UpM. Die Konzentrationen der Verunreinigungsstoffe liegen
weit unter den gegenwärtigen Abgasnormwerten und genügen sogar noch strengeren,
für spätere Jahre vorgeschlagenen Normwerten. Die Werte betragen: Kohlenmonoxyde
0,94 %, unverbrannte Kohlenwasserstoffe 0,0 und Stickstoffoxyde 11,35 ppm.