DE102019104646A1

DE102019104646A1 - Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine, eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine und eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Emulsion

Info

Publication number: DE102019104646A1
Application number: DE102019104646.7A
Authority: DE
Inventors: Kurt Kmitta; Adelheid Holzmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Kmitta Kurt De; Rainer Raabe Familienstiftung De
Priority date: 2018-02-26
Filing date: 2019-02-25
Publication date: 2019-08-29
Also published as: WO2019161852A2; WO2019161852A3

Abstract

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine mittels einer Emulsion aus zwei Flüssigkeiten und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, welche zuverlässig, einfach und Kostengünstig sind. Zudem ist es die Aufgabe eine geeignete, einfache und zuverlässige Vorrichtung zur Herstellung der Emulsion zu schaffen, wobei die Emulsion eine hohe Stabilität besitzt und in welcher zugleich der Einsatz an Tensiden reduziert ist.
Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine (14), wobei Kraftstoff (17) mit Wasser (18) unter Bildung einer Emulsion durch zumindest einen Emulsator (1) geleitet werden, wobei in dem Emulsator (1) das Wasser (18) und der mit Wasser (18) an sich nicht mischbare Kraftstoff (17) durch zumindest eine Mischstufe (2, 9) strömen und so oft als möglich und so lange als möglich bewegt und/oder mit einander vermischt werden und die dabei gebildete Emulsion der Verbrennungskraftmaschine (14) zugeführt und in zumindest einen Brennraum auf an sich bekannte Weise eingespritzt wird, wobei eine Zirkulation (16) überschüssiger Emulsion erfolgt,wobei vor dem Zuführen und/oder Einspritzen der Emulsion eine Vorwärmung der Emulsion erfolgt.
Vorrichtung zur Herstellung einer Emulsion, wobei in einem Gehäuse (1), Rohr (1) oder Kanal (1) zumindest eine Mischstufe (2) vorhanden ist, welche magnetisierbare Metallendlosspäne (3) und zumindest einen Magneten (4) als Primärmagnet (6) und/oder Glasgranulat (11) oder ein mineralisches Granulat (11) umfasst, wobei zwei an sich nicht mischbare Fluide oder ein Gemisch aus zwei nicht mischbaren Fluiden durch die Metallendlosspäne (3) durchleitbar und an dem zumindest einen Magneten (4) und vorbeileitbar und/oder durch das Glasgranulat (11) oder das mineralisches Granulat (11) durchleitbar sind und die beiden Fluide oder das Gemisch aus den beiden Fluiden unter Tröpfchenbildung bewegbar und vermischbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine, eine Anordnung zur Durchführung des Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine und eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Emulsion, beispielsweise einer Brennstoffemulsion oder einer Creme-Emulsion.
Wie bekannt, ist eine Emulsion ein fein verteiltes Gemisch zweier an sich nicht mischbarer Flüssigkeiten ohne sichtbare Entmischung. Hierbei bildet eine der Flüssigkeiten, auch als flüssige Phase oder nur kurz als Phase bezeichnet, kleine Tröpfchen, welche sich in der anderen Flüssigkeit oder Phase verteilen. Die Phase, welche die Tröpfchen bildet, nennt man innere Phase oder auch disperse Phase, während die Phase, in der die Tröpfchen schwimmen bzw. verteilt sind, die äußere Phase oder kontinuierliche Phase genannt wird.
Emulsionen aus Wasser und Öl können Wasser-in-Öl- oder Öl-in-Wasser-Emulsionen sein, entsprechend welche der Flüssigkeiten die disperse Phase oder kontinuierliche Phase bilden.
Weitere Komponenten können hinzugegeben werden, um die Vermischung zu stabilisieren.
Bekannt sind weiterhin Mikroemulsionen. Mikroemulsionen sind im Gegensatz zu Emulsionen thermodynamisch stabile Systeme. Sie haben den Vorteil, dass sie sich spontan bilden und es keines Energieaufwandes bedarf, wie es bei der Herstellung von Emulsionen zur Zerteilung der inneren Phase notwendig ist. Für die Bildung von Mikroemulsionen werden jedoch Tenside zwingend benötigt. Nur unter Einsatz eines sehr hohen Anteils von Tensiden von ca. 13 % bei etwa 8 % Wasser und über 20% Tensiden bei beispielsweise 24 % Wasser bleibt die Mikroemulsion auch bei längerer Lagerung stabil, während normale Emulsionen zum Brechen neigen, d.h. zum Zusammenfließen der einzelnen Bestandteile der Phasen. Bei all diesen Betrachtungen muss berücksichtigt werden, dass Mikroemulsionsstrukturen einer starken Dynamik unterliegen, was zu ständigen Auf- und Abbauprozessen der Strukturen führt. Abhängig vom verwendeten Wassergehalt steigt der Tensidbedarf zur Herstellung einer temperaturinvarianten, lagerfähigen Mikroemulsion. Letztlich bilden sich in einer ruhenden Mikroemulsion drei Schichten, nämlich eine Schicht mit Fluid A, eine Zwischenschicht umfassend Tenside, Fluid A-Tröpfchen und Fluid B-Tröpfchen und eine Schicht des Fluid B. Die Größe der Zwischenschicht wird durch die Menge der Tenside bestimmt. An und in dieser Zwischenschicht laufen die oben genannten dynamischen Auf- und Abbauprozessen ab. Nachteilig an Mikroemulsionen ist, dass für die Lagerfähigkeit ein hoher Anteil an Tensiden erforderlich ist. Damit besteht auch ein wesentlicher Nachteil hinsichtlich der Kosten, da Tenside teuer sind.
Neben den Mikroemulsionen erfolgt eine weitere Einteilung in Makroemulsionen. Unterscheidungskriterium der Mikro- und Makroemulsion ist unter anderem die Tropfengröße. So erscheinen Makroemulsionen trüb weiß, da die Tropfengröße größer ist als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts. Mit Verringerung der Tropfendurchmesser werden die Emulsionen immer transluzenter, bis hin zu transparenten mizellaren Lösungen. Die Makroemulsion ist eine weiße Emulsion, die selbstverdickend ist. Weiterhin sind die Makroemulsionen im Gegensatz zur Mikroemulsion thermodynamisch instabile Systeme. Nachteilig neigen Makroemulsionen dazu, dass sich die beiden Flüssigkeiten wieder voneinander trennen.
Bekannt ist weiterhin der Einsatz von Kraftstoff/Wasser- oder Wasser/Kraftstoff-Emulsionen zum Betreiben eines Verbrennungsmotors. Bei Wasser/Kraftstoff-Emulsionen unterscheidet man zwischen Mikro- und Makroemulsionen.
Aus dem Stand der Technik sind bereits verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von Emulsionen bekannt.
So beschreibt die CN1088473A eine mehrstufige Anordnung zur Herstellung einer Emulsion, wobei nacheinander die Fluide eine Strahlmischstufe, eine Turbulenzenstufe und eine Ultraschallstufe sowie eine Magnetstufe durchlaufen und in einen Speicherbehälter gelangen. Zudem ist eine Zirkulation vorgesehen.
Weiterhin ist aus der CN1066916 ein Emulsator mit Einsätzen für eine Rechts- und eine Linksdrehung der Fluide beschrieben, wobei die Einsätze sequentiell angeordnet sind.
Die EP 0 022 442 B1 offenbart eine Vorrichtung zur Herstellung von Emulsionen, wobei in einem Rohr ein Einsatz beispielsweise aus Stahlmetallschwamm oder Metallspänen angeordnet ist, durch welche die Fluide gepumpt werden. Stahlwolle wird als nicht geeignet angesehen.
Die DE 601 15 932 T2 offenbart einen Mischer zum Herstellen einer Emulsion aus diskreten Stäben, welche einen dreieckigen, gebogenen, parallelogrammartigen, tropfenförmigen oder elliptischen Querschnitt aufweisen und parallel und/oder in einer Ebene angeordnet sind. Offenbart wird jedoch auch, dass Mischer Stahlwolle umfassen, was jedoch dahingehend nachteilig ist, da Drähte brechen und in Umlauf geraten können. Zudem besteht bei Stahlwolle das Problem, dass sie keine feste Geometrie und Dichte besitzt und damit die Verwendung zu Schwankungen in der Genauigkeit des Mischungsprozesses führt.
Weiterhin beschreibt die CN 2202582 Y einen Emulsator, also eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Emulsion aus Diesel und Wasser, die in einer Emulsierungskammer eine Spiralfeder offenbart, um die Emulgierungseffizienz zu verbessern.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine mittels einer Emulsion aus zwei Flüssigkeiten und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, welche zuverlässig, einfach und kostengünstig ist. Zudem ist es die Aufgabe eine geeignete, einfache und zuverlässige Vorrichtung zur Herstellung der Emulsion zu schaffen, wobei die Emulsion eine hohe Stabilität besitzt und in welcher zugleich der Einsatz an Tensiden reduziert ist.
Die Erfindungsaufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugten Emulsionen sind stabil und milchweis. Dies wird auch ohne den Einsatz von Tensiden erreicht. Damit passen die erzeugten Emulsionen in keine der beiden Definitionen der Mikro- und Makroemulsionen, weshalb der Begriff Quantenemulsion für das Resultat dieser neuen Technik der Emulgierung gewählt wurde. Der Begriff Quantenemulsion wurde bereits durch das Max-Planck-Institut im Jahre 2006 im Zusammenhang mit nicht mischbaren Flüssigkeiten verwendet. Entsprechend der Durchführung der Herstellung der Emulsion oder Quantenemulsion wird als alternative Bezeichnung der Vorrichtung der Begriff Emulsator verwendet.
Der Einfluss von Quantenemulsionen auf dieselmotorische Verbrennungen entspricht dem der Mikroemulsion, hat jedoch den Vorteil, dass unter Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Emulsators keine oder deutlich weniger Tenside von ca. 1 % bezogen auf den Wasseranteil eingesetzt werden müssen, als bei an sich bekannten Mikroemulsionen, um eine vergleichbar lange Stabilität der Emulsion zu erreichen. Die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugte Emulsion lässt sich wie der ursprüngliche Kraftstoff am jeweiligen Motor einsetzen und erlaubt die Durchführung des Verfahrens zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Quantenemulsionen, beispielsweise aus Dieselkraftstoff und Wasser ermöglichen eine drastische Reduzierung der Stickoxid-Emission und der Partikelemissionen des Dieselmotors, ohne sich dabei negativ auf weitere Emissionen oder Effizienz auszuwirken.
Im erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine, wird Kraftstoff mit Wasser unter Bildung einer Emulsion durch zumindest einen Emulsator geleitet, wobei in dem Emulsator das Wasser und der mit Wasser an sich nicht mischbare Kraftstoff durch zumindest eine Mischstufe strömen und so oft als möglich und so lange als möglich bewegt und/oder mit einander vermischt werden, dass die Emulsion entsteht. Die gebildete Emulsion wird der Verbrennungskraftmaschine zugeführt und in zumindest einen Brennraum auf an sich bekannte Weise eingespritzt, wobei eine Zirkulation überschüssiger Emulsion erfolgt. Vor dem Zuführen und/oder Einspritzen der Emulsion zur oder in die Verbrennungskraftmaschine erfolgt eine Vorwärmung der Emulsion, wodurch die Viskosität der Emulsion verringert wird, was das Einspritzen in die Verbrennungskraftmaschine begünstigt.
Dem Kreislauf wird kontinuierlich die benötigte Menge Emulsion entnommen und gleichzeitig wieder dieselbe Menge Fluidgemisch zugegeben, indem die Ausgangsflüssigkeiten in entsprechender Menge und als entsprechendes Gemisch dem Kreislauf und den Mischstufen wieder hinzugefügt werden.
Erfindungsgemäß erfolgt das Vorwärmen mit einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens, wobei eine Emulsionsvorwärmstufe vorhanden ist. Die Emulsionsvorwärmstufe ist vor, in oder nach dem zumindest einen Emulsator, also einer Vorrichtung zur Herstellung einer Emulsion angeordnet. Unter einer Anordnung der Emulsionsvorwärmstufe nach dem Emulsator wird auch eine Anordnung der Emulsionsvorwärmstufe vor der jeweiligen Einspritzanordnung der Verbrennungskraftmaschine verstanden.
Als Verbrennungskraftmaschine wird beispielsweise auch ein Motor oder BHKW verstanden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung, auch bezeichnet als Emulsator zur Herstellung einer Emulsion, umfasst ein Gehäuse, Rohr oder Kanal in dem zumindest eine Mischstufe vorhanden ist, in welcher magnetisierbare Metallendlosspäne, auf die zumindest ein Magnet wirkt und/oder Glasgranulat oder mineralisches Granulat als Schüttung angeordnet ist. Die Metallendlospäne sowie das Glasgranulat oder das mineralisches Granulat können je nach Herstellung unterschiedliche Formen und Querschnitte annehmen, so dass ein daraus gebildeter Ball, Bund, Wickel oder Knäuel aus oder mit Metallendlosspänen und/oder eine daraus gebildete Schüttung eine ungeordnete und statische Struktur bietet, die eine intensive Vermischung der Fluide ermöglicht, indem die zwei an sich nicht mischbaren Fluide oder ein Gemisch aus den zwei nicht mischbaren Fluiden durch die Zwischenräume der Ansammlung oder Anordnung der Metallendlosspäne geleitet und an dem zumindest einen Magneten als Primärmagneten vorbeigeleitet und/oder durch die Zwischenräume des Glasgranulates oder des mineralischen Granulates geleitet werden. Indem die Metallendlosspäne magnetisierbar sind, wird das durch die Magnete erzeugte Magnetfeld verstärkt und räumlich vergrößert. Die Magnete können hierbei im Gehäuse, Rohr oder Kanal und an den Metallendlosspänen angeordnet sein, also von den zwei an sich nicht mischbaren Fluide oder ein Gemisch aus den zwei nicht mischbaren Fluiden zumindest teilweise umströmbar sein, oder außerhalb des Gehäuses, Rohrs oder Kanals im Bereich der Metallendlosspäne angeordnet sein.
Die Vielzahl an möglichen Wegen, Verzweigungen und dabei teils engen Strukturen der Zwischenräume erlauben es, dass die beiden Fluide oder das Gemisch aus den beiden Fluiden unter Tröpfchenbildung bewegbar und zu einer Emulsion vermischbar sind. Neben der Verstärkung des Magnetfeldes bzw. dessen Wirkung in Bezug auf die Herstellung der Emulsion, lassen sich metallisch-magnetische Verunreinigungen aus der Emulsion abfangen. Auch abgebrochene Bestandteile der Metallendlosspäne lassen sich somit abfangen und aus dem Kreislauf oder vom weiteren Prozess entfernen oder abhalten.
Das Glasgranulat oder mineralisches Granulat kann auch in im Gehäuse innenliegenden parallel angeordneten Röhren angeordnet sein. Diese können parallel und/oder in Reihe angeordnet sein.
In einer Mischstufe strömen die beiden Fluide oder das Gemisch aus den beiden Fluiden mit hoher Geschwindigkeit durch zumindest eine Mischstufe, umfassend zumindest einen Magneten als Primärmagneten und Metallendlosspäne und/oder umfassend Glasgranulat oder mineralisches Granulat, welches damit eine Struktur zum Mischen der Fluide in Form von Hindernissen, Verzweigungen, Zusammenführungen, Abzweigungen, Richtungsänderungen und/oder Verengungen sowie Kanten und/oder Flanken bietet.
Das Magnetfeld begünstigt die gegenseitige Durchmischung der Fluide durch eine Ausrichtung der Atome (Elektronenspin).
Mit diesen Hindernissen, Verzweigungen, Zusammenführungen, Abzweigungen, Richtungsänderungen und/oder Verengungen sowie Kanten und/oder Flanken wird erreicht, dass die beiden Fluide oder das Gemisch aus den beiden Fluiden so oft als möglich und so lange als möglich mit einander vermischt werden und sich bedingt durch einen Strömungsabriss entstehende Turbulenzen, durch Scherströmungen und/oder auch durch Kavitation und die damit einhergehende Bewegung des jeweils einzelnen Fluides oder der beiden Fluide oder des Gemisches aus den beiden Fluiden sich Tröpfchen bilden bzw. sich die Tröpfchengröße bereits gebildeter Tröpfchen weiter verringert und die Tröpfchen weiter vermischt werden und damit die Emulsion als Quantenemulsion gebildet wird.
Durch die feine Tröpfchengröße im Mikrometerbereich bleibt die Emulsion über mindestens ein halbes Jahr thermodynamisch stabil, beziehungsweise sie entmischt sich nicht.
Bei der Herstellung der Emulsion werden die einzelnen an sich nicht mischbaren Flüssigkeiten oder wird ein Fluidgemisch, beispielsweise aus Treibstoff in Form von Diesel oder Benzin oder beispielsweise kosmetisch einsetzbare Öle und Wasser über ein oder mehrere Mischstufen, welche bei mehr als einer Mischstufe kaskadiert nacheinander zum Einsatz kommen, homogenisiert, es wird also eine Emulsion oder Quantenemulsion erzeugt. Eine der Flüssigkeiten als Fluid A, welches beispielsweise Treibstoff ist, bildet die kontinuierliche Phase und die andere Flüssigkeit als Fluid B, welches beispielsweise Wasser ist, bildet die disperse Phase.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung, welche die Mischstufe oder Mischstufen umfasst, wird als Emulsator bezeichnet. Die Emulsatoren bzw. die Mischstufen lassen sich einzeln unabhängig voneinander, parallel nebeneinander oder kaskadiert nacheinander koppeln.. So lassen sich die Mischstufen in beliebiger Weise und beliebiger Anzahl kombinieren. Es lassen sich damit einstufige, zweistufige, dreistufige oder vierstufige und darüber hinaus mehrstufige Emulsatoren bilden.
Die Ausdehnung der jeweiligen Mischstufen in Strömungsrichtung kann variieren und ist nicht durch oder auf bestimmte Dimensionierungen begrenzt. So können kurze Mischstufen und langegestreckte Mischstufen aufeinander in beliebiger Anzahl und Reihenfolge folgen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens, der Anordnung und der Vorrichtungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
Indem dem Wasser bezogen auf das Gewicht oder Volumen des Wassers vorzugsweise zwischen 1 % und 5 % Tenside zugemischt werden, wird die ohnehin stabile Emulsion weiter stabilisiert. Weiterhin wird die Bildung und Haltbarkeit der Emulsion begünstigt. Zudem wird insbesondere bei Kraftstoffen die Verbrennung begünstigt und Ruß und Giftstoffe reduziert, also eine schadstoffärmere Verbrennung erreicht. Es ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass je nach Bedarf, Mischungsverhältnis oder Komponentenauswahl, der Tensidbedarf zwischen 0,1 bis 1 % liegt oder aber auch über 5% bis 20 % betragen kann. Die jeweiligen nicht genannten Zwischenwerte innerhalb der genannten Bereiche sind jeweils mit umfasst.
Mit der zugemischten Kohlensäure wird die Verbrennung begünstigt und der Schadstoffausstoß reduziert.
In einer Weiterbildung ist die Zirkulation überschüssiger Emulsion stromaufwärts vor den zumindest einen Emulsator oder zwischen zwei Emulsatoren oder in einen Emulsionstank geführt. Damit wird erreicht, dass die Emulsion ständig erneut gemischt und zugleich neuer Kraftstoff und neues Wasser mit aufgenommen und mit der Emulsion vermischt und an die vorhandene Emulsion angepasst werden.
Indem die Fluide oder ein Gemisch aus den zwei Fluiden durch die zumindest eine Mischstufe gepresst oder gesaugt werden, wird vermieden, dass es zu Anstauen der Fluide oder einem ungleichmäßigen Durchfluss derer kommt.
Das Fluidgemisch kann entweder einmalig oder mehrmals in einem Kreislauf durch einen Kanal an den Hindernissen vorbeigepumpt werden. Die gebildete Emulsion als Quantenemulsion strömt je nach Bedarf und Ausführung während der Herstellung oder in einer Zirkulation ebenfalls durch die Mischstufe.
Dem Kreislauf wird kontinuierlich die benötigte Menge Emulsion entnommen und gleichzeitig wieder dieselbe Menge Fluidgemisch zugegeben, indem die Ausgangsflüssigkeiten in entsprechender Menge und als entsprechendes Gemisch dem Kreislauf und den jeweiligen Mischstufen wieder hinzugefügt werden.
Vorteilhaft besitzt das Glasgranulat oder das mineralische Granulat eine bevorzugte Korngröße zwischen 2 bis 4 mm. Geeignet sind neben Glasgranulat oder mineralischen Granulat beispielsweise auch andere geeigneten Granulate mit scharfen oder ausgeprägten Bruchkanten. Hierbei ist jedoch auf die Korngröße zu achten, da zu große Korngrößen eine Vermischung nicht optimal gewährleisten und zu kleine Korngrößen zu einem erhöhten Strömungswiderstand führen.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die mindestens eine Mischstufe als erste, zweite oder folgende Mischstufe in einzelne Abschnitte als Mischstufenabschnitte aufgeteilt. Hierdurch ergeben sich konstruktive Vorteile, da unterschiedliche Bauweisen und auch Kombinationen mit anderen Komponenten oder mit weiteren Mischstufen gleicher oder anderer Art und Bauweise möglich sind. So lassen sich in einer kompakten Bauweise durch Umlenkungen mehrere Mischstufen nebeneinander, aber dennoch hinsichtlich der Strömungsrichtung nacheinander, zusammenschalten, wobei die angestrebte Funktion erhalten bleibt.
Weiterhin ist es ein Vorteil, dass damit auch Mischstufen anderen Aufbaus in die erfindungsgemäße Vorrichtung zur ersten Mischstufe hinzugefügt werden können. So ist es vorgesehen, dass vor, nach oder in der mindestens einen Mischstufe als erste, zweite oder folgende Mischstufe oder zwischen den einzelnen Abschnitten als Mischstufenabschnitte zumindest eine weitere Mischstufe vorhanden ist. Damit wird eine Verbesserung der Herstellung der Emulsion erreicht, da die zusätzlichen Mischstufen das Vermischen der Fluide weiter begünstigen. Diese weitere oder weiteren Mischstufen sind dabei als Kaskaden also in Reihe zu der oder den ersten Mischstufen oder zu den einzelnen Abschnitten als Mischstufenabschnitte angeordnet.
Die erste, zweite, folgenden und die weiteren Mischstufen sowie die Mischstufenabschnitte lassen sich innerhalb der Vorrichtung bzw. innerhalb des Gehäuses, Rohres oder Kanals beliebig parallel und/oder in beliebiger Reihenfolge nacheinander anordnen. Das Fluidgemisch und/oder auch die Emulsion kann entweder einmalig nach Bedarf oder mehrmals in einem Kreislauf durch die Mischstufe oder Mischstufen gepumpt werden. Dem Kreislauf wird kontinuierlich die benötigte Menge Emulsion entnommen und gleichzeitig wieder dieselbe Menge Fluidgemisch zugegeben, indem die Ausgangsflüssigkeiten in entsprechender Menge und als entsprechendes Gemisch dem Kreislauf und den Mischstufen wieder hinzugefügt werden.
Vorteilhaft umfassen die zumindest eine weitere Mischstufe eine oder ungeordnete Verwirblerstruktur oder eine kanalartige Verwirblerstruktur, welche eine zusätzliche Vor- oder Zwischenmischung der Fluide ermöglicht und dadurch zur Bildung der Emulsion beiträgt.
Eine Schüttung, beispielsweise in einer ungeordneten Verwirblerstruktur besteht beispielsweise aus einem Granulat. Geeignet sind beispielsweise Glasgranulat oder andere geeigneten Granulate mit scharfen oder ausgeprägten Bruchkanten.
Die kanalartige Verwirblerstruktur kann auch in im Gehäuse innenliegenden parallel angeordneten Röhren angeordnet sein. Diese Röhren können als Parallelanordnung und/oder als Reihenanordnung miteinander verbunden sein, so dass unterschiedliche lange und/oder breite Mischstufen oder Mischstufenabschnitte gebildet werden, um die Bildung der Emulsion zu begünstigen.
Die kanalartige Verwirblerstruktur weist beispielsweise einen schraubenförmigen oder spiralförmigen Verlauf mit zwei miteinander kombinierten bzw. ineinander verlaufenden Spiralen oder spiralförmigen Kanälen mit jeweils gegenläufigen Drehrichtungen, vergleichbar einen Rechts- und einem Linksgewinde, auf, wobei die jeweiligen Verläufe der Spiralen oder der spiralförmigen Kanäle im Bereich der Kreuzungen des schraubenförmigen oder spiralförmigen Verlaufes unterbrochen ist und somit die Teilströmungen aufeinander prallen und/oder umgelenkt werden und es zu Verwirbelungen bzw. Turbulenzen kommt.
Die jeweilige kanalartige Verwirblerstruktur, beispielsweise als Hindernis, ist dabei ortsfest oder am Ort beweglich innerhalb eines Gehäuses oder eines Rohres oder eines Kanales oder in den Röhren angeordnet oder untergebracht. Die Initiierung der kanalartigen Verwirblerstruktur erfolgt beispielsweise von außen und/oder durch die Strömung der beiden Fluide oder des Gemisches aus den beiden Fluiden sowie der Emulsion als Quantenemulsion. Damit wird erreicht, dass sich die kanalartige Verwirblerstruktur relativ zur Strömungsgeschwindigkeit schneller bewegt und damit zusätzliche Turbulenzen und Kavitationen erzeugt.
Dem entsprechend, sind im Gehäuse oder Rohr oder Kanal oder in den Röhren beispielsweise schwingende Hindernisse angeordnet. Die Hindernisse schwingen, weil sie beispielsweise elastisch sind und durch die Strömung im Bereich ihrer Eigenfrequenz angeregt werden. Durch die Hindernisse entstehen Strömungsabrisse und durch die Schwingung zusätzliche Kavitation. So werden die Fluide fein durchmischt und bilden eine Emulsion.
Die elastischen Hindernisse bestehen beispielsweise aus Metalldrähten und ragen in den Fluidkanal. Viele solcher Hindernisse sind nebeneinander sowie hintereinander angeordnet. Ist der Kanal beispielsweise rechteckig, sind die elastischen Hindernisse entweder auf einer Seite angebracht oder auf zwei gegenüberliegenden Seiten, wobei sich die elastischen Hindernisse der beiden Seiten überlappen oder die Enden der elastischen Hindernisse zueinander beabstandet sind.
Es sind beispielsweise als ortsfeste und am Ort bewegliche kanalartige Verwirblerstrukturen innerhalb einer Röhre, eines Gehäuses oder eines Rohres oder eines Kanales als Hindernis als freidrehende Rotoren angeordnet. Durch die drehenden Hindernisse entstehen Verwirbelungen und Kavitation in der Strömung, woraus eine feine Vermischung zu einer Emulsion resultiert. Das Fluidgemisch kann entweder einmalig oder mehrmals in einem Kreislauf durch einen Kanal an den Hindernissen vorbeigepumpt werden. Die freidrehenden Rotoren sind in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet. Die Rotationsachse der freidrehenden Rotoren kann je nach Art des jeweiligen Rotors senkrecht oder parallel zur Strömungsrichtung ausgerichtet sein. Die Drehrichtung der in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten Rotoren kann entweder gleich oder alternierend sein. So kommen als Rotoren Propeller, Impeller, Schaufelräder, Savonius-Rotoren in Betracht. Es können auch Rotoren mit verschiedenen Rotorformen kombiniert angeordnet werden.
Dem entsprechend sind beispielsweise als ortsfeste und am Ort bewegliche kanalartige Verwirblerstrukturen innerhalb eines Gehäuses oder eines Rohres, einer Röhre oder eines Kanales als Hindernis freidrehende Rotoren angeordnet. Durch die drehenden Hindernisse entstehen Verwirbelungen und Kavitationen
Zu Bewegungen kommt es auch innerhalb kanalartigen Verwirblerstruktur, wenn diese beispielsweise von außen, also von außerhalb des oder von an der Röhre, dem Gehäuse, Rohr oder Kanal, beispielswese mittels eines Motors oder mittels einer beispielsweise magnetischen Kopplung angetrieben wird. Diese Bewegungen sind beispielsweise Schwingungen einzelner Elemente der kanalartigen Verwirblerstruktur, welche sich relativ zur initiierten Bewegung der kanalartigen Verwirblerstruktur sowie zur Strömungsgeschwindigkeit schneller bewegen und damit auch zusätzliche Turbulenzen und Kavitationen bilden.
Für das Vermischen lässt sich beispielsweise direkt in der Leitung ein zylindrischer Kern mit darauf angeordnetem Kanalmuster als Verwirblerstruktur anordnen, wobei es hierbei möglich ist, dass der Kern drehbar gelagert ist. Die Drehbewegung lässt sich beispielsweise von innen durch die Strömung der beiden Fluide oder des Gemisches aus den beiden Fluiden oder von außen mittels eines Antriebes erreichen.
Als Querschnitt der Röhre, des Gehäuses, Rohres oder Kanales kommen für eine größtmögliche Flexibilität runde oder eckige Querschnitte in Betracht. Hierbei lassen sich auch verschiedene kanalartige Verwirblerstrukturen nebeneinander in einem Gehäuse, Rohr oder Kanal anordnen. Je nach Verschaltung lassen sich somit parallele und kaskadierte Anordnungen und entsprechende Betriebsweisen umsetzen.
Im Strömungsverlauf innerhalb der Röhre, des Gehäuses, Rohres oder Kanales sind weiterhin Verengungen vorgesehen, durch welche ein Fluid oder beide Fluide einzeln oder als Gemisch gepresst werden. Hierfür kommen feinporige Strukturen zum Einsatz, durch welche das zumindest eine Fluid gepresst wird, welches beim Austreten aus der feinporigen Struktur kleine Tröpfchen bildet. Diese Tröpfchen lassen sich einerseits in ein vorbeifließendes Fluid, welches die äußere Phase oder kontinuierliche Phase ist, einleiten und bilden somit die Emulsion. Weiterhin lassen sich die Fluide einzeln, getrennt oder bereits als Gemisch durch die feinporige und/oder feinmaschige Strukturen pressen, so dass beim Austreten aus der feinporigen Struktur die kleinen Tröpfchen von beiden Fluiden gebildet und zusammengeführt werden und somit die Emulsion gebildet wird. Als feinporige oder feinmaschige Strukturen kommen beispielweise durchlässige Membranen, feine Siebe, komprimierte Pulver oder Späne, gesintertes Pulver, Stahlwolle oder organische Wolle, offenporiger Schaumstoff oder Schwamm und/oder offenporiger Metallguss in Betracht. Die feinporige Struktur lässt sich weiterhin auch als dünne Platte mit Mikroporen oder als Filter realisieren.
Es ist vorgesehen, dass ein Gemisch aus den Fluiden durch sehr enge Spalten gepresst wird. Durch die hohe Scherströmung wird die Mischung homogenisiert, so dass nach dem Spalt eine feine Emulsion vorliegt. Das Fluidgemisch lässt einmalig oder mehrmals, dann zumindest teilweise als Emulsion, in einem Kreislauf durch den Spalt pumpen. Der jeweilige Querschnitt der Zuleitung geht entweder kontinuierlich oder abrupt in einen dünnen Spaltquerschnitt oder mehrere Spaltquerschnitte über. Der Spalt ist dabei entweder gerade und hat in Fließrichtung eine zu-, abnehmende oder konstante Länge oder es ist ein Kreisring mit zu- oder abnehmendem oder konstantem Durchmesser in Fließrichtung.
Weiterhin kommen beispielsweise röhrenartige, stabförmige, plattenförmige, siebartige oder bürstenartige Verwirblerstrukturen in Frage, welche jeweils allein für sich oder miteinander kombiniert zum Einsatz kommen. Auch ein Einsatz innerhalb der kanalartigen Verwirblerstruktur ist möglich und vorgesehen.
Bei diesen Hindernissen entstehen Strömungsabrisse mit Turbulenzen und Kavitation. So werden die Fluide fein durchmischt und bilden eine Emulsion. Die Hindernisse sind stabförmig und durchqueren den Fluidkanal. Es können mehrere Hindernisse nebeneinander und/oder hintereinander angeordnet sein. Hintereinander angeordnete Stäbe sind zueinander parallel und/oder windschief.
Die stabförmigen Hindernisse können in Strömungsrichtung leicht schräg eingebaut sein. Dabei können Hindernisse nebeneinander sowie hintereinander parallel oder alternierend schräg eingebaut sein. Dabei kommen unterschiedliche Varianten von Stabquerschnitten in Betracht, wie beispielsweise kreisförmige, rechteckförmige, rautenförmige oder halbkreisförmige Querschnitte sowie Querschnitte eines Strömungsprofils eines Dreiecks. Bei asymmetrischen Stabquerschnitten sind diese gleichgerichtet oder abwechselnd angeordnet.
Weiterhin sind je nach Ausführung der Röhre, des Gehäuses, Rohres oder Kanales und der jeweiligen kanalartige Verwirblerstruktur auch die Wandungen im Querschnitt vorteilhaft geformt, um in Wechselwirkung mit der kanalartigen Verwirblerstruktur ebenfalls Turbulenzen, Scherströmungen und auch Kavitation zu erzeugen.
Unabhängig von der äußeren Form sind in der Röhre, dem Gehäuse, Rohr oder Kanal als kanalartige Verwirblerstruktur eine Vielzahl an Wandanordnungen zur Bildung von Kanälen mit häufigen Richtungsänderungen mit Ecken und Kehren mit einer Richtungsumkehr von beispielsweise 180 Grad vorhanden. Aufgrund dieser häufigen Richtungsänderungen kommt es zu ständigen sich teilweise überlagernden Turbulenzen und Kavitationen. An jeder Ecke gibt es einen Strömungsabriss mit Turbulenz und Kavitation. So werden die beiden Fluide fein durchmischt, bis sie eine Emulsion bilden.
Die Kanten der Wandanordnungen sind dabei unterschiedlich geformt, um die jeweils optimalen Voraussetzungen für Turbulenzen zu schaffen. Die Kanten sind entweder unbearbeitet, einseitig oder beidseitig gefast oder mit einem Kantenblech versehen. Weiterhin ist die Kante in Längsrichtung beispielsweise gerade oder konkav gekrümmt oder die Kante bildet ein rundes Loch.
Die kanalartige Verwirblerstruktur umfasst beispielsweise ein Kanalmuster in Form von Nuten in einer Oberfläche, welches durch eine Vielzahl von Verzweigungen, Zusammenführungen, Abzweigungen und/oder Richtungsänderungen sowie Kanten und/oder Flanken aufweist. Die Oberfläche ist dabei zumindest teilweise bedeckt, so dass die beiden Fluide oder das Gemisch aus den beiden Fluiden gezwungen ist, das Kanalmuster zu passieren bzw. durch dieses zu strömen. Dabei prallt der Flüssigkeitsstrom auf die Seitenflächen und Seitenwände in dem Kanalmuster und wird gezwungen, die Richtung zu wechseln. Zudem wird der Flüssigkeitsstrom in dem Kanalmuster mehrfach geteilt und wieder vereint. Es entstehen durch den Strömungsabriss Turbulenzen und es kommt zu Scherströmungen, durch welche die Emulsion gebildet wird.
Die jeweiligen Kanalmuster befinden sich beispielsweise in einem eckigen oder runden Gehäuse, Rohr, Kanal oder Röhre der kanalartigen Verwirblerstruktur der weiteren Mischstufe. In dem jeweiligen Gehäuse, Rohr, Kanal oder Röhre ist ein dem Querschnitt angepasstes, beispielsweise flaches oder flächiges Kanalmuster angeordnet. Vorgesehen ist weiterhin, dass beispielsweise mehrere durch Platten getrennte beispielsweise flache oder flächige Kanalmuster in einem Gehäuse, Rohr oder Kanal angeordnet sind und beispielsweise parallel oder in Reihe als Kaskade verschaltet sind. Die Innenwandung der Röhre, des Gehäuses, Rohres oder Kanales deckt die Oberfläche des einzelnen oder des äußeren Kanalmusters ab und nur der Querschnitt des Kanalmusters bietet einen Freiraum zum Passieren der Fluide oder Emulsion.
Die Mischstufe einer Vorrichtung als kanalartige Verwirblerstruktur lässt sich beispielsweise kernartig in einer Röhre oder Leitung unterbringen. Auf dem Kernmantel ist das Kanalmuster vorhanden. Die Oberfläche wird durch die Innenwandung der Röhre oder Leitung bedeckt.
Als kanalartige Verwirblerstruktur kommen weiterhin andere beliebige statische Mischer in Betracht.
Indem in der ungeordneten Verwirblerstruktur oder in den Metallendlosspänen oder im Bereich der Metallendlosspäne zumindest ein Magnet vorhanden ist, wird die gegenseitige Durchmischung der Fluide durch eine Ausrichtung der Atome (Elektronenspin) begünstigt.
In einer Weiterbildung sind am Ende der jeweiligen Mischstufe oder Mischstufen oder am Ende der zumindest einen weiteren Mischstufe zumindest ein weiterer Magnet und/oder Metallendlosspäne und/oder zumindest ein weiterer Magnet als Sekundärmagnet vorgesehen. Den magnetischen Effekt verstärkend sind weitere Teile der Mischstufe mit einem Magnet versehen oder magnetisierbar. So ist vorteilhaft, am Ende der jeweiligen Mischstufe oder Mischstufen, wo die Emulsion in ihre endgültige Form gebracht wird, also die finale Tröpfchengröße erreicht hat, zumindest ein weiterer Magnet bzw. eine Sekundärmagnet und/oder Metallendlosspäne vorgesehen, um die Vermischung durch ein zusätzliches Magnetfeld und durch die Metallendlosspäne zu unterstützen.
Indem der zumindest eine Magnet von den Metallendlosspänen zumindest bereichsweise umschlossen und/oder an der Innenwand des Gehäuses, Rohres oder Kanales angeordnet ist, vergrößert sich der Einfluss des Magnetes auf die gesamte Anordnung der Metallendlosspänen in der Mischstufe. Zudem werden gegebenenfalls gelöste oder abgebrochene Metallendlosspäne abgefangen oder zurückgehalten.
Vorteilhaft sind der zumindest ein Magnet und die Metallendlosspäne in Strömungsrichtung mehrfach jeweils abwechselnd angeordnet, so dass in der Mischstufe auf einen oder mehrere Magneten ein Bereich mit Metallendlosspäne folgt und darauf wieder ein oder mehrere Magneten folgen und so weiter. Bei mehr als einem Magneten sind diese beispielsweise quer zur Strömungsrichtung in einer Ebene angeordnet, beispielweise mit gleichmäßigem Abstand innerhalb der Ebene. Hierdurch wird die Wirkung des Magnetfeldes auf den Herstellungsprozess weiter gesteigert.
Die Lage der Magnetfelder ist dabei räumlich statisch oder dynamisch. Bei Elektromagneten lässt sich die magnetische Feldstärke je nach Notwendigkeit fest, also statisch einstellen oder bedarfsgerecht, dynamisch anpassen. Durch Verwendung mehrerer Magnete kann je nach Anordnung und Ansteuerung des Elektromagneten ein homogenes oder ein wechselndes Magnetfeld erzeugt werden. Auch lassen sich die Magneten hinsichtlich der Polung so anordnen, dass beispielsweise jeweils gleichnamige Pole zueinander ausgerichtet sind. Vorteilhaft sind die Pole der Magneten beispielsweise so ausgerichtet, dass gleichnamige Pole sich gegenüber stehen. Dies ist bei Permanentmagneten sowie Elektromagneten gleichermaßen möglich, wobei bei Elektromagneten die Möglichkeit besteht, ohne größeren Aufwand auch eine andere Anordnung hinsichtlich der Pole einzustellen.
Weiterhin ist es vorgesehen, zur Erhöhung der Dynamik des Magnetfeldes, dass die Magnete innerhalb oder außerhalb des Gehäuses, des Rohres oder des Kanales rotieren, während der Eisenkern, gebildet durch die Metallendlosspäne im Inneren des Gehäuses, Rohres oder Kanales statisch bleibt. Die Rotationsrichtung von beispielsweise Magnetringen kann gleichgerichtet oder entgegengesetzt sein. So ist es ebenfalls vorgesehen, dass je nach Bedarfsfall, die einzelnen Magnete an Ort und Stelle rotieren.
Vorteilhaft werden die Magnete mittels Permanentmagnete oder Elektromagnete realisiert. Einerseits wird eine einfache, anderseits eine individuelle Anordnung erreicht.
Hierbei sind die innenliegenden Oberflächen der weiteren Mischstufe mit einer Oberflächenstruktur versehen, welche Turbulenzen verursacht, durch welche die Bildung der Emulsion begünstigt wird.
Die Lage der Schüttung oder die Lage der kanalartigen Verwirblerstruktur ist innerhalb der Mischstufe und/oder weiteren Mischstufe in Strömungsrichtung mittels Metallendlosspäne festgelegt, wodurch vermieden wird, dass Teile des Glasgranulates oder des mineralischen Granulates in den Kreislauf gelangen. Zudem wird auch dadurch ein zusätzliches Vermischen der Fluide und damit die Bildung der Emulsion begünstigt.
Die Lage des Glasgranulates oder des mineralischen Granulates kann mittels einer Fixier- oder einer Trennscheibe oder ebenfalls mittels Metallendlosspäne festgelegt werden.
In einer Weiterbildung umfasst die ungeordnete Verwirblerstruktur vorzugsweise Metallendlosspäne, welche damit eine ungeordnete und statische Struktur zum Mischen der Fluide in Form von Hindernissen, Verzweigungen, Zusammenführungen, Abzweigungen, Richtungsänderungen und/oder Verengungen sowie Kanten und/oder Flanken bietet.
Auf der Eingangsseite des Emulsators gibt es eine Pumpe, welche die beiden Fluide bzw. deren Gemisch in die Mischphase pumpt. Zusätzlich ist es je nach Bedarf ebenfalls vorgesehen, dass eine Pumpe auf der Ausgangsseite des Emulsators vorhanden ist, welche die Emulsion aus der jeweiligen Mischphase saugt. Vorteilhaft umfasst der Emulsator die Pumpe integral. Bei mehr als einer Mischstufe oder bei einer Aufteilung der Mischstufen im Emulsator in Abschnitte, kann die Pumpe auch zwischen diesen Mischstufen oder Mischstufenabschnitten angeordnet sein.
Der Emulsator kann eine Emulsion aus Treibstoff, Wasser und weiteren Komponenten in den Brennraum einer Kraftmaschine, eines Triebwerks oder einer Heizung einspritzen. Weil die Emulsion thermodynamisch stabil ist, kann sie auch in einen Tank gefüllt werden, wo sie bis zur Verwendung gelagert wird. Der Tank kann dabei Teil der Verbrennungsmaschine oder unabhängig davon sein.
Mittels des Emulsators lassen sich weiterhin Cremes aus Ölen, Wasser und weiteren Zusatzstoffen für Kosmetikanwendungen, wie Hautcremen, Salben, usw. herstellen. Die zum Beispiel von Hand vorgemischten Zutaten werden aus einem Behälter gesaugt und als Emulsion in einen zweiten Behälter gefüllt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

1a die Schnittdarstellung durch einen Emulsator mit zwei Mischstufenabschnitten und weiteren parallelen Mischstufen mit einer Schüttung,
1b die Schnittdarstellung mit einer Mischstufe mit Glasgranulat und mit Metallendlospänen,
1c die Schnittdarstellung durch einen Emulsator mit einer Mischstufe mit Glasgranulat und zwei weitere Mischstufen mit Metallendlospänen und Magneten,
2a die Schnittdarstellung durch einen Emulsator mit zwei Mischstufenabschnitte und weiteren parallelen Mischstufen mit einer kanalartigen Verwirblerstruktur,
2b die Schnittdarstellung durch einen Emulsator mit zwei Mischstufenabschnitte und
2c die Schnittdarstellung durch einen Emulsator mit drei kaskadierten Mischstufen mit Glasgranulat und mit Metallendlospänen und Magneten,
3 die Schnittdarstellung durch einen Emulsator mit einer Mischstufe mit mehreren Mi schstufenab schnitten,
4a die Schnittdarstellung durch einen Emulsator mit weiteren Mischstufen vor einer Mischstufe,
4b die Schnittdarstellung durch einen Emulsator mit weiteren Mischstufen nach einer Mischstufe,
4c die Schnittdarstellung durch einen Emulsator mit weiteren Mischstufen zwischen zwei Mischstufe,
5 die Schnittdarstellung durch eine Magnetanordnung in einem Gehäuse eines Emulsator,
6 die Schnittdarstellung durch eine Trennscheibe für eine Michstufe in einem Gehäuse eines Emulsator,
7 bis 9 verschiedene schematische Darstellungen einer Anordnung für die Emulsionsherstellung für eine Verbrennungskraftmaschine,
10 bis 22 verschiedene Ausführungen für eine kanalartige Verwirblerstruktur und
23 und 24 die Schnittdarstellung durch innenliegende Oberfläche mit unterschiedlichen Oberflächenstrukturen.

Die 1a zeigt einen Emulsator als erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung einer Emulsion, wobei in einem Gehäuse 1 als Rohr 1 zwei Mischstufen 2 vorhanden sind, welche jeweils magnetisierbare Metallendlosspäne 3 und zwei dargestellte oder mehr Magnete 4 als Primärmagnete 6 umfassen, durch welche zwei an sich nicht mischbare Fluide oder ein Gemisch aus zwei nicht mischbaren Fluiden durch die Metallendlosspäne 3 durchleitbar sind und an den Magneten 4 und vorbeileitbar sind und die beiden Fluide oder das Gemisch aus den beiden Fluiden unter Tröpfchenbildung bewegt und vermischt werden. Die Metallendlosspäne 3 liegen an den Magneten 4 an. Die Magnete 4 sind zudem an der Innenwand 5 des Gehäuses 1 anliegend angeordnet.
Zwischen den Mischstufen 2 als Mischstufenabschnitte 8 ist eine weitere Mischstufe 9 angeordnet. Die weitere Mischstufe 9 umfasst eine Schüttung 11 umfassend Glasgranulat oder ein mineralisches Granulat beispielsweise Split oder andere Mineralien mit scharfen oder ausgeprägten Bruchkanten und einer Körnung zwischen 2 bis 4 mm. Alternativ zur Schüttung 11 kann die weitere Mischstufe 9 auch eine kanalartige Verwirblerstruktur (2 umfassen.
Zwischen den Mischstufenabschnitte 8 der Mischstufen 2 und der weitere Mischstufe 9 sind vorzugsweise Trennscheiben 13 in Form von Sieben oder filterartigen Matten angeordnet, welche das Verteilen der Schüttung 11 in die Metallendlosspäne 3 bzw. das Vermischen dieser untereinander verhindern. Bei einer hinreichend kompakten Packung des Gehäuses 1 mit der Schüttung 11 und den Metallendlosspäne 3 kann jedoch auch auf die Trennscheibe 13 verzichtet werden. Hierbei ist jedoch auch die Korngröße der Schüttung 11 zu berücksichtigen.
Die 1b zeigt eine weitere Ausführungsform eines Emulsator als erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung einer Emulsion, wobei in einem Gehäuse 1 als Rohr 1 eine Mischstufe 2 vorhanden ist, welche Glasgranulat 11 oder ein mineralisches Granulat 11 umfasst, durch welches zwei an sich nicht mischbare Fluide oder ein Gemisch aus zwei nicht mischbaren Fluiden leitbar sind und die beiden Fluide oder das Gemisch aus den beiden Fluiden unter Tröpfchenbildung bewegt und vermischt werden. Das Glasgranulat 11 oder das mineralisches Granulat 11 besitzt dabei vorzugsweise eine Korngröße zwischen 2 bis 4 mm. Das Glasgranulat oder ein mineralisches Granulat beispielsweise Split oder andere Mineralien weist vorzugweise scharfe oder ausgeprägte Bruchkanten auf.
Vor und nach der Mischstufe 2 als erste Mischstufe 2 oder als Mischstufenabschnitt 8 ist eine weitere Mischstufe 9 vorhanden. Diese weiteren Mischstufen 9 hat eine ungeordnete Verwirblerstruktur 3 in Form von Metallendlosspänen 3.
Diese ungeordnete Verwirblerstruktur 3 in Form von Metallendlosspänen 3 kann jedoch auch als axiale Begrenzung der Mischstufe 2 betrachtet werden.
Die 1c zeigt eine weitere Ausführungsform eines Emulsator als erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung einer Emulsion, wobei in einem Gehäuse 1 als Rohr 1 eine Mischstufe 2 vorhanden ist, welche Glasgranulat 11 oder ein mineralisches Granulat 11 umfasst, durch welches zwei an sich nicht mischbare Fluide oder ein Gemisch aus zwei nicht mischbaren Fluiden leitbar sind und die beiden Fluide oder das Gemisch aus den beiden Fluiden unter Tröpfchenbildung bewegt und vermischt werden. Das Glasgranulat 11 oder das mineralisches Granulat 11 besitzt dabei vorzugsweise eine Korngröße zwischen 2 bis 4 mm. Das Glasgranulat oder ein mineralisches Granulat beispielsweise Split oder andere Mineralien weist vorzugweise scharfe oder ausgeprägte Bruchkanten auf.
Vor und nach der Mischstufe 2 als erste Mischstufe 2 oder als Mischstufenabschnitt 8 ist eine weitere Mischstufe 9 vorhanden. Diese weitere Mischstufen 9 haben eine ungeordnete Verwirblerstruktur 3 in Form von Metallendlosspänen 3. Die Metallendlosspäne 3 liegen an den Magneten 4 an, die an der Innenwand 5 des Gehäuses 1 angeordnet sind.
Zwischen den weiteren Mischstufen 9 und der Mischstufe 2 sind vorzugsweise Trennscheiben 13 in Form von Sieben oder filterartigen Matten angeordnet, welche das Verteilen der Schüttung 11 in die Metallendlosspäne 3 bzw. das Vermischen dieser untereinander verhindern. Bei einer hinreichend kompakten Packung des Gehäuses 1 mit der Schüttung 11 und den Metallendlosspäne 3 kann jedoch auch auf die Trennscheibe 13 oder eine Trennscheibe 13 mit besonderen Filtervorkehrungen verzichtet werden. Hierbei ist jedoch auch die Korngröße der Schüttung 11 zu berücksichtigen.
Eine Trennscheibe 13 ohne besondere Filtervorkehrungen mit einfachen Durchgangsbohrungen ist in 6 dargestellt.
Die 2a zeigt einen Emulsator als erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei in einem Gehäuse 1 als Rohr 1 zwei Mischstufen 2 vorhanden sind, welche jeweils magnetisierbare Metallendlosspäne 3 und zwei dargestellte oder mehr Magneten 4 als Primärmagnete 6 umfassen. Die Magnete 4 sind hierbei von den magnetisierbaren Metallendlosspänen 3 umgeben. Die zwei an sich nicht mischbare Fluide oder ein Gemisch aus zwei nicht mischbaren Fluiden sind durch die Metallendlosspäne 3 durchleitbar sind und an den Magneten 4 und vorbeileitbar und werden unter Tröpfchenbildung bewegt und vermischt.
Zwischen den Mischstufen 2 als Mischstufenabschnitte 8 ist eine weitere Mischstufe 9 angeordnet. Die weitere Mischstufe 9 umfasst kanalartige Verwirblerstrukturen 12 die in innenliegenden parallel angeordneten Röhren mit einer jeweils parallelen Strömungsrichtung 6 im Gehäuse 1 angeordnet sind. Die kanalartige Verwirblerstruktur 12 umfasst Verzweigungen, Zusammenführungen sowie Richtungsänderungen und damit Kanten und Flanken.
Zudem umfassen die innenliegenden Oberflächen 10 der weiteren Mischstufe 9 insbesondere der kanalartigen Verwirblerstruktur 12 eine Oberflächenstruktur 21 in Form von Vertiefungen mit einem viereckigen, dreieckigen oder konkaven Querschnitt, wie dies in den 23 und 24 dargestellt ist, versehen sein, welche die Vermischung begünstigen.
Zwischen den Mischstufenabschnitte 8 der Mischstufen 2 und der weitere Mischstufe 9 können Trennscheiben 13 in Form von Sieben oder filterartigen Matten angeordnet sind, welche das Verteilen von Abschnitten der Metallendlosspäne 3 kanalartige Verwirblerstruktur 12 verhindern. Die Trennscheiben sorgen zudem für eine gerichtete bzw. geordnete Strömung der Fluide, des Fluidgemisches bzw. der Emulsion durch die kanalartige Verwirblerstruktur 12. So sind in einer an sich geschlossenen Scheibe entsprechende Öffnungen für die kanalartige Verwirblerstruktur 12 oder Durchgänge in die Schüttung 11 der weiteren Mischstufe 9 vorhanden, wie dies in 6 dargestellt ist.
Eine weitere Ausführung eines Emulsator als erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung einer Emulsion ist in 2b dargestellt. Abweichend von 2a sind in 2b die Magnete 4 als Primärmagnete 6 im oberen Mischstufenabschnitt 8 nur teilweise von den magnetisierbaren Metallendlosspänen 3 umgeben. Die weitere Mischstufen 9 umfasst kanalartige Verwirblerstrukturen 12 die in innenliegenden parallelen Röhren 25 im Gehäuse 1 zwischen Trennscheiben 13 angeordnet sind. Die Strömungsrichtung 6 ist in den Röhren 25 mit den kanalartigen Verwirblerstrukturen 12 gleichgerichtet und in den Bereichen bzw. Abschnitten dazwischen dazu gegenläufig. Die Röhren 25 mit den kanalartigen Verwirblerstrukturen 12 sind zueinander versetzt und verteilt nur einseitig in einer der jeweiligen Trennscheibe 13 angeordnet und erstrecken sich innerhalb der weiteren Mischstufe 9 nicht über deren gesamte Länge, so dass eine Anzahl der Röhren 25 mit den kanalartigen Verwirblerstrukturen 12 in der einen Trennescheibe 13 und eine andere Anzahl der Röhren 25 mit den kanalartigen Verwirblerstrukturen 12 in der anderen Trennscheibe 13 angeordnet sind und seitlich sich überlappen. Hierdurch kommt es an den freien Enden der kanalartigen Verwirblerstrukturen 12 zu einer Richtungsumkehr der Fluide, des Fluidgemisches und/oder der Emulsion. Durch die versetzte Anordnung der kanalartigen Verwirblerstrukturen 12 verlängert sich der Weg durch die weitere Mischstufe 9, so dass die Fluide intensiver vermischt werden. Die kanalartige Verwirblerstruktur 12 umfasst damit ebenfalls Verzweigungen, Zusammenführungen sowie Richtungsänderungen und damit Kanten und Flanken.
Zusätzlich kann vorgesehen werden, dass in den Bereichen außerhalb der innenliegenden parallelen Röhren 25 im Gehäuse 1 eine kanalartige Verwirblerstruktur 12, wie sie in den 10 bis 22 dargestellt ist, und/oder eine Oberflächenstruktur 21 in Form von Vertiefungen mit einem viereckigen, dreieckigen oder konkaven Querschnitt, wie sie in den 23 und 24 dargestellt ist, vorhanden ist.
Alternativ bzw. auch zusätzlich zur einer kanalartigen Verwirblerstruktur 12 in den Bereichen außerhalb der innenliegenden parallelen Röhren 25 der weiteren Mischstufe 9 ist eine Schüttung 11 ebenfalls vorgesehen (nicht dargestellt).
Die 2c zeigt eine Ausführungsform eines Emulsator als erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung einer Emulsion, wobei in einem Gehäuse 1 als Rohr 1 eine Mischstufe 2 vorhanden ist, welche in Abweichung zu den 1 und 2 das Glasgranulat 11 oder das mineralisches Granulat 11 in im Gehäuse 1 innenliegenden parallel angeordneten Röhren 25 zwischen Trennscheiben 13 umfasst. Die Strömungsrichtung 6 ist in den Röhren 25 mit dem Glasgranulat 11 oder dem mineralischen Granulat 11 gleichgerichtet und in den Bereichen bzw. dem Glasgranulat 11 oder dem mineralischen Granulat 11 sind zueinander versetzt und verteilt nur einseitig in einer der jeweiligen Trennscheibe 13 angeordnet und erstrecken sich innerhalb der Mischstufe 2 nicht über deren gesamte Länge, so dass eine Anzahl der Röhren 25 mit dem Glasgranulat 11 oder dem mineralischen Granulat 11 in der einen Trennscheibe 13 und eine andere Anzahl der Röhren 25 mit dem Glasgranulat 11 oder dem mineralischen Granulat 11 in der anderen Trennscheibe 13 angeordnet sind und seitlich sich überlappen. Hierdurch kommt es an den freien Enden der kanalartigen Verwirblerstrukturen 12 zu einer Richtungsumkehr der Fluide, des Fluidgemisches und/oder der Emulsion. Durch die versetzte Anordnung kanalartigen Verwirblerstrukturen 12 verlängert sich der Weg durch die weitere Mischstufe 9, so dass die Fluide intensiver vermischt werden.
Weiterhin sind in der unteren weiteren Mischstufe 9 in der ungeordneten Verwirblerstruktur 3 in Form von Metallendlosspänen 3 Magnete 4 vorhanden.
Zusätzlich ist in den Röhren 25 in den axialen Enden eine ungeordnete Verwirblerstruktur 3 beispielsweise in Form von Metallendlosspänen 3 vorhanden, um die Lage des Glasgranulates 11 oder des mineralischen Granulates 11 in den Röhren 25 bzw. in der weiteren Mischstufe in Strömungsrichtung festzulegen.
Zusätzlich kann vorgesehen werden, dass in den Bereichen außerhalb der innenliegenden parallelen Röhren 25 im Gehäuse 1 eine kanalartige Verwirblerstruktur 12, wie sie in den 10 bis 22 dargestellt ist, und/oder eine Oberflächenstruktur 21 in Form von Vertiefungen mit einem viereckigen, dreieckigen oder konkaven Querschnitt, wie dies in den 23 und 24 dargestellt ist, vorgesehen ist.
Alternativ zur einer ungeordneten Verwirblerstruktur 3 bzw. auch ergänzend dazu umfasst die weitere Mischstufe 9 eine kanalartige Verwirblerstruktur 12, wie sie in den 10 bis 22 dargestellt ist.
Die Magnete 4 insbesondere in der weiteren Mischstufe 9 im Bereich der Metallendlosspäne 3 sind von den Fluiden, dem Fluidgemisch bzw. der Emulsion umströmbar. Die 5 zeigt einen Schnitt durch einen Bereich des Gehäuses 1 bzw. der Mischstufe 2 mit den Magneten 4.
Die 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Emulsators als erfindungsgemäße Vorrichtung, bei welchen eine Mischstufe 2 vier Mischstufenabschnitte 8 umfasst, welche durch Metallendlosspäne 3 und Magnete 4 als Primärmagnete 6 gebildet sind. Jeder der Mischstufenabschnitte 8 wird in Strömungsrichtung 6 durch Magnete 4 und Metallendlosspäne 3 gebildet. Nach dem letzten Mischstufenabschnitt 8 sind zusätzlich weitere Magnete 7 als Sekundärmagnete 7 vorhanden. Die Pole der Magnete 4 und der weitere Magnete 7 als Sekundärmagnete 7 sind hierbei zu den Magneten 4 der benachbarten Mischstufenabschnitte 8 so ausgerichtet, dass gleichnamige Pole sich gegenüber stehen.
Die Magnete 4 sind von den Fluiden, dem Fluidgemisch bzw. der Emulsion umströmbar. Die 5 zeigt einen Schnitt durch einen Bereich des Gehäuses 1 bzw. der Mischstufe 2 mit den Magneten 4.
Wie in den 1a, 2a, 2b und 3 dargestellt, sind als Zulauf oder Abgang des Gehäuses 1 als Rohr 1 jeweils ein axial konzentrisch angeordnetes Einlassrohr 23 und Auslassrohr 24 mit Durchgangbohrungen in axialer und radialer Richtung angeordnet, welche im Gehäuse 1 als Rohr 1 in der Mischstufe 2 in den Metallendlosspänen 3 münden bzw. aus diesen herausgeführt sind und durch welche entsprechend der eingezeichneten Strömungsrichtung 6 die beiden Fluide oder das Gemisch aus den beiden Fluiden in das Gehäuse 1 einerseits und andererseits die Emulsion aus dem Gehäuse 1 geleitet werden. Andere Anordnungen und eine andere Anzahl der Einlassrohre und Auslassrohre sind gleichermaßen möglich und vorgesehen.
Wie in den 1b, 1c und 2c dargestellt, sind als Zulauf oder Abgang des Gehäuses 1 als Rohr 1 jeweils ein axial konzentrisch angeordnetes Einlassrohr 23 und Auslassrohr 24 mit Durchgangbohrungen in axialer und radialer Richtung angeordnet, welche im Gehäuse 1 als Rohr 1 jeweils in der weiteren Mischstufe 9 in der ungeordnete Verwirblerstruktur 3 wie beispielsweise den Metallendlosspänen 3 oder in der kanalartigen Verwirblerstruktur 12 (nicht dargestellt) münden bzw. aus diesen herausgeführt sind und durch welche entsprechend der eingezeichneten Strömungsrichtung 6 die beiden Fluide oder das Gemisch aus den beiden Fluiden in das Gehäuse 1 einerseits und andererseits die Emulsion aus dem Gehäuse 1 geleitet werden. Andere Anordnungen und eine andere Anzahl der Einlassrohre und Auslassrohre sind gleichermaßen möglich und vorgesehen.
Die 4a zeigt eine weitere Ausführung eines Emulsators als erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung einer Emulsion, wobei vor einer Mischstufe 2 eine weitere Mischstufe 9 angeordnet ist. Die Mischstufe 2 umfasst zwei Mischstufenabschnitte 8, welche durch Metallendlosspäne 3 und Magnete 4 gebildet sind, wobei ein Mischstufenabschnitt 8 in axialer Richtung durch Magnete 4 und zwischen den Magneten 4 angeordneten Metallendlosspäne 3 gebildet ist, wobei die angrenzende Pole der Magnete 4 der zwei in axialer Richtung nachfolgenden Mischstufenabschnitte 8 ungleichnamig sind und am Ende der weitere Mischstufe 9 Sekundärmagnete 7 angeordnet sind. Die weitere Mischstufe 9 umfasst eine in einer mäanderförmig angeordneten Röhre 25 durch Metallendlosspäne 3 festgelegte Schüttungen 11 sowie eine kanalartige Verwirblerstruktur 12. Nach dem Durchlaufen der weiteren Mischstufe 9 gelangen die Fluide, das Fluidgemisch oder die Emulsion in die Mischstufe 2.
Die 4b zeigt eine weitere Ausführung eines Emulsators als erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung einer Emulsion, wobei nach einer Mischstufe 2 eine weitere Mischstufe 9 angeordnet ist. Die Mischstufe 2 umfasst eine in einer mäanderförmig angeordneten Röhre 25 durch Metallendlosspäne 3 festgelegtes Glasgranulat 11 oder mineralisches Granulat 11. Die weitere Mischstufe 9 umfasst als ungeordnete Verwirblerstruktur 3 Metallendlosspäne 3 und Magnete 4, wobei in axialer Richtung zwischen den Magneten 4 Metallendlosspäne 3 angeordnet sind, wobei die angrenzende Pole der sich unmittelbar angrenzenden Magnete 4 ungleichnamig sind und am Ende der weitere Mischstufe 9 Sekundärmagnete 7 angeordnet sind. Nach dem Durchlaufen der Mischstufe 2 gelangen die Fluide, das Fluidgemisch oder die Emulsion in die weitere Mischstufe 9.
Die 4c zeigt eine weitere Ausführung eines Emulsators als erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung einer Emulsion, wobei nach einer Mischstufe 2 eine Folge weitere Mischstufen 9 angeordnet ist. Die weiteren Mischstufen 9 sind in zueinander parallelen Röhren 25 angeordnet, welche durch Rohrbögen 27 an den jeweiligen Enden mäanderförmig verbunden sind, so dass die einzelnen weiteren Mischstufen 9 nacheinander einen in Strömungsrichtung 6 langgestreckten Verlauf jeweils als weitere Mischstufen 9 oder als eine gemeinsame weitere Mischstufe 9 bilden. Jeweils stromauf und stromab der weiteren Mischstufen 9 ist eine Mischstufe 2 mit Metallendlosspänen 3 und mit auf diese wirkenden Magneten 4 angeordnet. Die weiteren Mischstufen 9 umfassen jeweils eine kanalartige Verwirblerstruktur 12. Diese kanalartige Verwirblerstruktur 12 weist einen schraubenförmigen oder spiralförmigen Verlauf mit zwei miteinander kombinierten bzw. ineinander verlaufenden Spiralen oder spiralförmigen Kanälen mit jeweils gegenläufigen Drehrichtungen aus. Die jeweiligen Verläufe der Spiralen oder der spiralförmigen Kanäle sind im Bereich der Kreuzungen des schraubenförmigen oder spiralförmigen Verlaufes unterbrochen. In 4c ist eine entsprechende kanalartige Verwirblerstruktur 12 in der rechten Röhre 25 beispielhaft dargestellt.
Vorgesehen (nicht dargestellt) ist weiterhin, dass in den Rohrbögen 27 Metallendlosspäne 3 angeordnet sind. Somit bilden die Rohrbögen 27 zusätzliche Mischstufen 2, Mischstufenabschnitte 8 oder weitere Mischstufen 9.
Die 7 zeigt das schematische Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Durchführung eines Verfahrens zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine 14, wobei Kraftstoff 17 mit Wasser 18 unter Bildung einer Emulsion durch im konkreten Ausführungsbeispiel zwei Emulsatoren 1 leitbar ist, wobei in den Emulsatoren 1 zumindest eine Mischstufe 2 und bedarfsweise zumindest eine weitere Mischstufe 9 vorhanden sind und das Wasser 18 gegebenenfalls mit Tensiden 19 und der mit Wasser 18 an sich nicht mischbare Kraftstoff 17 als außerhalb des Emulsators 1 gebildeten Gemisches durch die Mischstufen 2, 9 strömen und sich aufgrund des oben beschriebenen inneren Aufbaus der Emulsatoren 1 zumindest mit häufigen Richtungswechseln, Kanten und Verwirbelungen so oft als möglich und so lange als möglich bewegen und/oder mit einander vermischen und die dabei gebildete Emulsion der Verbrennungskraftmaschine 14 zuführbar und in zumindest einen Brennraum auf an sich bekannte Weise einspritzbar ist. Dabei ist eine Zirkulation 16 für die gegebenenfalls überschüssige Emulsion vorhanden, wobei die Zirkulation 16 nach dem ersten Emulsator 1 wieder in den Kreislauf der Emulsionsbildung eingespeist wird.
In der Anordnung ist weiterhin eine Pumpe 15 vorhanden, welche den Kraftstoff 17, das Wasser 18, die Tenside 18 und die gegebenenfalls schon gebildete Emulsion vom im Verlauf ersten Emulsator 1 zum zweiten Emulsator 1 fördern.
Ergänzend zur Anordnung gemäß 7 ist in 8 zudem eine Emulsionsvorwärmstufe 22 vorhanden ist, wobei die Emulsionsvorwärmstufe 22 vor einem der beiden Emulsatoren 1, nämlich dem vor der Verbrennungskraftmaschine 14 bzw. nach der Pumpe 15 angeordnet ist.
Ergänzend zur Anordnung gemäß 7 ist in 8 zudem eine Emulsionsvorwärmstufe 22 vorhanden ist, wobei die Emulsionsvorwärmstufe 22 vor einem der beiden Emulsatoren 1, nämlich dem vor der Verbrennungskraftmaschine 14 bzw. nach der Pumpe 15 angeordnet ist.
Die 9 zeigt das schematische Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Durchführung eines Verfahrens zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine 14, wobei in einen ersten oben beschriebenen Emulsator 1 separat Wasser 18 gegebenenfalls mit Tensiden 19 und Kraftstoff 17 geleitet werden. Nach dem ersten Emulsator 1 gelangen die Fluide, das Fluidgemisch oder die bereist gebildete Emulsion mittels der Pumpe 15 in einen zweiten oben beschriebenen Emulsator 1 und von dort aus in einen Emulsionstank 20. Vom Emulsionstank 20 steht mittels einer weiteren Pumpe 15 die Emulsion über eine Emulsionsvorwärmstufe 22 der Verbrennungskraftmaschine 14 zur Verfügung. Die ebenfalls vorhandene Zirkulation 16 erlaubt das Fördern der überschüssigen Emulsion in den Emulsionstank 20, wonach die Emulsion wieder für die Versorgung der Verbrennungskraftmaschine 14 zur Verfügung steht.
Die Tenside 19 lassen sich in einem Tensidtank 19 vorhalten und bedarfsweise in einen Tank für das Wasser 18, wie in 7 dargestellt, oder in eine Zuleitung für das Wasser 18, wie in 7 dargestellt, zuführen.
Sofern Tenside erforderlich sind lässt auch sich ein Wasser-Tensid-Gemisch, beispielsweise mit einem Anteil von 1% Tensiden in einem Tank für das Wasser-Tensid-Gemisch vorhalten und bedarfsweise entnehmen. Diese wäre beispielsweise mit der erfindungsgemäßen Anordnung gemäß 9 umsetzbar.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine 14 wird Kraftstoff 17 mit Wasser 18 unter Bildung einer Emulsion durch zumindest einen Emulsator 1 geleitet werden, wobei in dem Emulsator 1 das Wasser 18 und der mit Wasser 18 an sich nicht mischbare Kraftstoff 17 durch zumindest eine Mischstufe 2, 9 strömen und so oft als möglich und so lange als möglich bewegt und/oder mit einander vermischt werden. Die dabei gebildete Emulsion wird der Verbrennungskraftmaschine 14, die beispielsweise ein Motor oder BHKW sein kann, zugeführt und in zumindest einen Brennraum auf an sich bekannte Weise eingespritzt, wobei eine Zirkulation 16 überschüssiger Emulsion erfolgt, vor dem Zuführen und/oder Einspritzen der Emulsion eine Vorwärmung der Emulsion erfolgt.
Für eine noch stabilere Emulsion wird dem Wasser 18 bezogen auf das Gewicht oder Volumen des Wassers 18 zwischen 0,1 und 20%, vorzugsweise zwischen 1 % und 5% Tenside 19 und/oder das Kohlensäure zugemischt.
Die 10 bis 22 zeigen unterschiedliche Ausführungen für eine kanalartige Verwirblerstruktur 12. Diese sind je nach Ausführung in im Querschnitt runden oder eckigen Röhren 25, Rohren 1, Kanälen 1 oder Gehäusen 1 angeordnet bzw. untergebracht und bilden die jeweilige weitere Mischstufe 9 oder sind Teile oder Bestanteil der jeweiligen weiteren Mischstufe 9.
So sind gemäß 10 labyrinthartige oder mäanderartige kanalartige Verwirblerstruktur 12 vorgesehen, die insbesondere in einer Ebene vielfache Richtungswechsel der Fluide, des Fluidgemisches oder der Emulsion bewirken und somit die Vermischung begünstigen.
In 11 ist als kanalartige Verwirblerstruktur 12 ein schraubenförmiger Verlauf in einer Drehrichtung dargestellt, wodurch die Vermischung der Fluide, des Fluidgemisches oder der Emulsion begünstigt wird.
Die Vermischung wird begünstigt, indem der schraubenförmige Verlauf in zwei gegenläufigen Drehrichtungen vergleichbar einen Rechts- und einem Linksgewinde ausgeführt ist und die kanalartige Verwirblerstruktur 12 im Bereich der Kreuzungen des schraubenförmigen Verlauf unterbrochen ist und somit die Teilströmungen aufeinander prallen und es zu Verwirbelungen bzw. Turbulenzen kommt.
Die kanalartige Verwirblerstruktur 12 gemäß 12 zeigt eine kombinierte Anordnung eines mäanderartigen und schraubenförmigen Verlaufes mit kontinuierlichem Richtungs- und Drehsinnänderung.
In 13 ist einen vereinfachte labyrinthartige oder mäanderartige kanalartige Verwirblerstruktur 12 dargestellt.
Ein Gemisch aus den Fluiden strömt durch ein Gehäuse 1, Rohr 1 oder Kanal 1 oder eine Röhre 25, in dem mehrere scharfe 180 Grad-Ecken angeordnet sind. Bei jeder Ecke gibt es einen Strömungsabriss mit Turbulenz und Kavitation. So werden die beiden Fluide fein durchmischt, bis sie eine Emulsion bilden.
Das Fluidgemisch kann entweder einmalig oder mehrmals in einem Kreislauf durch das Gehäuse 1, Rohr 1 oder Kanal 1 gepumpt werden
Weitere kanalartige Verwirblerstrukturen 12 sind als in Strömungsrichtung unterschiedlich ausgerichtete Gitter als Hindernisse, wie in 14 dargestellt, oder als schwingende Spiralfeder, die wie in 17 dargestellt, parallel zur Strömungsrichtung 6 angeordnet ist, ausgeführt, welche Strömungsabrisse mit Turbulenzen und Kavitation bewirken, die eine Vermischung der Fluide, des Fluidgemisches oder der Emulsion begünstigen.
Auch Rotoren als Hindernisse, wie in 15 und 16 dargestellt, bilden kanalartige Verwirblerstrukturen 12, welche durch eine Drehung bedingt durch die Strömung der der Fluide, des Fluidgemisches oder der Emulsion oder durch einen Antrieb von außerhalb durch Verwirbelungen bzw. Turbulenzen an den Kanten der Rotorblätter die Vermischung der Fluide, des Fluidgemisches oder der Emulsion begünstigen. Je nach Art der Initiierung der Drehbewegung ist die Drehrichtung der einzelnen Rotoren gleichgerichtet oder gegenläufig. Durch die Rotoren entstehen Verwirbelungen und Kavitation in der Strömung, woraus eine feine Vermischung zu einer Emulsion resultiert. Das Fluidgemisch kann entweder einmalig oder mehrmals in einem Kreislauf durch einen Kanal an den Rotoren vorbeigepumpt werden. Die freidrehenden Rotoren sind in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet. Die Rotationsachse der freidrehenden Rotoren kann senkrecht oder parallel zur Strömungsrichtung ausgerichtet sein. Die Drehrichtung der hintereinanderliegenden Rotoren kann entweder gleich oder alternierend sein.
Die kanalartigen Verwirblerstrukturen 12 können auch, wie in 18 dargestellt, als Borsten als Hindernisse ausgebildet, die entweder auf einer Seite der vorzugsweise im Querschnitt eckigen Röhren 25, Rohre 1, Kanäle 1 oder Gehäuse 1 angeordnet bzw. untergebracht sind oder auf sich gegenüberliegenden Flächen der Röhren 25, Rohre 1, Kanäle 1 oder Gehäuse 1 angeordnet sind, wobei sich die Enden der gegenüberliegenden Borsten dabei berühren, überlappen oder zueinander beabstandet sind und sich damit nicht berühren. Durch die Vielzahl an Verwirbelungen der sich bewegenden Borsten wird die Bildung der Emulsion begünstigt. Die Borsten schwingen, weil sie elastisch sind und durch die Strömung im Bereich ihrer Eigenfrequenz angeregt werden. Durch die Borsten entstehen Strömungsabrisse und durch die Schwingung zusätzliche Kavitation. So werden die Fluide fein durchmischt und bilden eine Emulsion.
Die Borsten lassen sich auch in im Querschnitt runden Röhren 25, Rohren 1, Kanälen 1 oder Gehäusen 1 einsetzen.
Alternativ können als Hindernisse Spiralfedern quer zur Strömungsrichtung 6 anstelle von geraden Borsten oder einer einzigen Spiralfeder längs zur Strömungsrichtung 6 in einem runden Kanal verwendet werden, wie dies in 19 dargestellt ist. Die Spiralfedern bewegen sich in der Strömung. Durch die Bewegung der Spiralfedern kommt es zu Verwirbelungen, wodurch die Bildung der Emulsion begünstigt wird.
Weitere kanalartigen Verwirblerstrukturen 12, lassen sich, wie in den 20 bis 22 dargestellt, durch Strömungsverwirbler 26 als Hindernisse bilden, welche zwischen dem Boden oder der Unterseite oder einem Innenrohr und der Decke oder der Oberseite oder dem Außenrohr von im Querschnitt eckigen oder runden Röhren 25, Rohren 1, Kanälen 1 oder Gehäusen 1 angeordnet sind. Durch die jeweiligen Querschnitte der Strömungsverwirbler 26 als Hindernisse und der je nach Querschnitt verschachtelten Anordnung der Strömungsverwirbler 26 als Hindernisse kommt es beim Durchströmen der Fluide, des Fluidgemisches oder Emulsion durch die jeweiligen kanalartigen Verwirblerstrukturen 12 zu Verwirbelungen bzw. Turbulenzen. Damit prallt der Flüssigkeitsstrom dauernd auf Oberflächen und wird gezwungen, die Richtung zu wechseln. Auch wird der Flüssigkeitsstrom bei manchen Kanalmustern viele Male geteilt und wieder vereint. Die Bildung der Emulsion wird begünstigt bzw. die Emulsion wird stabilisiert.
Für zusätzliche Unebenheiten für Turbulenzen und Kavitationen kommen auf oder in der innenliegende Oberfläche 10 Vertiefungen, Nuten oder Nocken oder eine stark aufgeraute Oberfläche als Oberflächenstrukturen 21 bzw. als Positiv- oder Negativprofil infrage, wie dies in den 23 und 24 dargestellt ist. Die Form der Oberflächenstruktur 21 als Vertiefungen, Nuten oder Nocken kann rechteckig, Kegelförmig, Kugelförmig oder abgesetzt Kegelförmig sein.
Bezugszeichenliste

1 -: Gehäuse, Rohr, Kanal, Emulsator
2 -: Mischstufe
3 -: Metallendlosspan, ungeordnete Verwirblerstruktur
4 -: Magnet, Primärmagnet
5 -: Innenwand
6 -: Strömungsrichtung
7 -: weiterer Magnet, Sekundärmagnet
8 -: Mischstufenabschnitt
9 -: weitere Mischstufe
10 -: innenliegende Oberfläche
11 -: Schüttung, Glasgranulat, mineralisches Granulat
12 -: kanalartige Verwirblerstruktur
13 -: Fixierscheibe, Trennscheibe
14 -: Motor, BHKW, Verbrennungskraftmaschine
15 -: Pumpe
16 -: Zirkulation
17 -: Kraftstoffzuführung, Kraftstoff
18 -: Wassertank, Wasserzuführung, Wasser
19 -: Tensid, Tensidtank
20 -: Tank, Emulsionstank
21 -: Oberflächenstruktur
22 -: Emulsionsvorwärmstufe
23 -: Einlassrohr
24 -: Auslassrohr
25 -: Röhre
26 -: Strömungsverwirbler
27 -: Rohrbogen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

CN 1088473 A [0008]
CN 1066916 [0009]
EP 0022442 B1 [0010]
DE 60115932 T2 [0011]
CN 2202582 Y [0012]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine (14), wobei Kraftstoff (17) mit Wasser (18) unter Bildung einer Emulsion durch zumindest einen Emulsator (1) geleitet werden, wobei in dem Emulsator (1) das Wasser (18) und der mit Wasser (18) an sich nicht mischbare Kraftstoff (17) durch zumindest eine Mischstufe (2, 9) strömen und so oft als möglich und so lange als möglich bewegt und/oder mit einander vermischt werden und die dabei gebildete Emulsion der Verbrennungskraftmaschine (14) zugeführt und in zumindest einen Brennraum auf an sich bekannte Weise eingespritzt wird, wobei eine Zirkulation (16) überschüssiger Emulsion erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Zuführen und/oder Einspritzen der Emulsion eine Vorwärmung der Emulsion erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Wasser (18) bezogen auf das Gewicht oder Volumen des Wassers (18) zwischen 0,1 und 20%, vorzugsweise zwischen 1 % und 5 % Tenside (19) und/oder das Kohlensäure zugemischt werden.
Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine (14), wobei Kraftstoff (17) mit Wasser (18) unter Bildung einer Emulsion durch zumindest einen Emulsator (1) leitbar ist, wobei in dem Emulsator (1) das Wasser (18) und der mit Wasser (18) an sich nicht mischbare Kraftstoff (17) durch zumindest eine Mischstufe (2, 9) strömen und sich so oft als möglich und so lange als möglich bewegen und/oder mit einander vermischen und die dabei gebildete Emulsion der Verbrennungskraftmaschine (14) zuführbar und in zumindest einen Brennraum auf an sich bekannte Weise einspritzbar ist, wobei eine Zirkulation (16) überschüssiger Emulsion vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Emulsionsvorwärmstufe (22) vorhanden ist, wobei die Emulsionsvorwärmstufe (22) vor, in oder nach dem zumindest einen Emulsator (1) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zirkulation überschüssiger Emulsion stromaufwärts vor den zumindest einen Emulsator (1) oder zwischen zwei Emulsatoren (1) oder in einen Emulsionstank (20) geführt ist.
Vorrichtung zur Herstellung einer Emulsion, wobei in einem Gehäuse (1), Rohr (1) oder Kanal (1) zumindest eine Mischstufe (2) vorhanden ist, welche magnetisierbare Metallendlosspäne (3), auf die zumindest ein Magnet (4) als Primärmagnet (6) wirkt, und/oder Glasgranulat (11) oder ein mineralisches Granulat (11) als Schüttung (11) umfasst, wobei zwei an sich nicht mischbare Fluide oder ein Gemisch aus zwei nicht mischbaren Fluiden durch die Metallendlosspäne (3) durchleitbar und an dem zumindest einen Magneten (4) vorbeileitbar und/oder durch das Glasgranulat (11) oder das mineralisches Granulat (11) durchleitbar sind und die beiden Fluide oder das Gemisch aus den beiden Fluiden unter Tröpfchenbildung bewegbar und vermischbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, das Glasgranulat (11) oder das mineralisches Granulat (11) vorzugsweise eine Korngröße zwischen 2 bis 4 mm besitzt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Mischstufe (2) als erste, zweite oder folgende Mischstufe (2) in einzelne Abschnitte als Mischstufenabschnitte (8) aufgeteilt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor, nach oder in der mindestens einen Mischstufe (2) als erste, zweite oder folgende Mischstufe (2) oder zwischen den einzelnen Abschnitten als Mischstufenabschnitte (8) zumindest eine weitere Mischstufe (9) vorhanden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine weitere Mischstufe (9) eine Schüttung (11) oder eine ungeordnete Verwirblerstruktur (3) oder eine kanalartige Verwirblerstruktur (12) umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die kanalartige Verwirblerstruktur (12) Hindernisse, Verzweigungen, Zusammenführungen, Richtungsänderungen und/oder Verengungen sowie Kanten und/oder Flanken umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die kanalartige Verwirblerstruktur (12) ortsfest oder beweglich angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der kanalartigen Verwirblerstruktur (12) Rotoren angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die kanalartige Verwirblerstruktur (12) von außerhalb des Gehäuses (1), Rohres (1) oder Kanals (1) antreibbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die innenliegenden Oberflächen (10) der weiteren Mischstufe (9) und/oder der kanalartigen Verwirblerstruktur (12) mit einer Oberflächenstruktur (21) versehen sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage der Schüttung (11) oder die Lage der kanalartigen Verwirblerstruktur (12) innerhalb der weiteren Mischstufe (9) in Strömungsrichtung (6) mittels Metallendlosspänen (3) festgelegt ist und/oder dass die ungeordnete Verwirblerstruktur (3) vorzugsweise Metallendlosspäne (3) umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass am Ende der jeweiligen Mischstufe (2) oder Mischstufen (2) oder am Ende der zumindest einen weiteren Mischstufe (9) zumindest ein weiterer Magnet (4) und/oder Metallendlosspäne (3) und/oder zumindest ein weiterer Magnet (7) als Sekundärmagnet (7) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Magnet (4) und die Metallendlosspäne (3) in Strömungsrichtung (6) mehrfach jeweils abwechselnd angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass in der ungeordneten Verwirblerstruktur (3) oder in den Metallendlosspänen (3) oder im Bereich der Metallendlosspäne (3) zumindest ein Magnet (4) vorhanden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Magnet (4) von den Metallendlosspänen (3) zumindest bereichsweise umschlossen oder an der Innenwand (5) des Gehäuses (1), Rohres (1) oder Kanales (1) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage und/oder die Ausrichtung des oder der Magnete (4) relativ zu den Metallendlosspänen (3), dem Gehäuse (1), Rohr (1) oder Kanal (1) oder relativ zueinander und/oder die Stärke des Magnetfeldes dynamisch und/oder statisch ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Magnet (3) und/oder der weitere Magnet (7) ein Permanentmagnet oder ein Elektromagnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass vor, in und/oder nach der Mischstufe (2, 9) eine Pumpe (15) angeordnet ist.
Verwendung der Vorrichtung nach einem vorhergehenden Ansprüche 5 bis 22 für die Herstellung von Kraftstoffemulsionen und Kosmetikwaren.