DE2230071C2

DE2230071C2 - Vorrichtung zum Emulgieren von flüssigem Brennstoff und Wasser sowie zum Zerstäuben unter Anwendung von Ultraschallschwingungen

Info

Publication number: DE2230071C2
Application number: DE19722230071
Authority: DE
Inventors: Eric Charles Bayville Long Insland N.Y. Cottell
Original assignee: CONVAIR INVESTMENTS Ltd NASSAU BS; Convair Investments Ltd Nassau
Current assignee: CONVAIR INVESTMENTS Ltd NASSAU BS
Priority date: 1972-06-20
Filing date: 1972-06-20
Publication date: 1985-07-25
Also published as: DE2230071A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Emulgieren von flüssigem Brennstoff und Wasser sowie zum Zerstäuben in einen Brennraum durch eine ringspaltförmige Öffnung in einem Gehäuse unter Anwendung von Ultraschallschwingungen.

Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art in Form eines Brenners sind ein der Zuführung von Brennstoff dienender Ringraum zwischen einer eine der Regelung der Brennleistung dienenden Ventilspindel aufnehmenden axialen Bohrung und der Ventilspindel sowie eine axial sich anschließende Mischkammer vorgesehen, in die der Brennstoff durch Mischk&inmer und Bohrung verbindende Schlitze eintritt. Dr,s Wasser wird über eine getrennte Kammer und über Nu\.;n in diese Mischkammer eingeführt, wobei die Zerstäubung des Wassers mittels Luft erfolgt, die über tangential angeordnete weitere Schlitze in die Mischkammer eintritt. In der Mischkammer kann eine Ultraschallbehandlung der flüssigen und der gasförmigen Komponenten stattfinden, infolge der relativ großvolumigen Ausbildung von Zuleitung und Mischkammer ist eine Emulgicrung von Wasser, das in einem unter 10% liegenden Anteil zugegeben wird, und Brennstoff mittels Ultraschall zu einer feinen Emulsion nicht gut möglich (vgl. GB-PS 11 22 874).

Aus der US-PS 31 55 Hl ist ferner eine Vorrichtung zum Zerstäuben eines flüssigen Brennstoffs und dessen Vermischung mit der Verbrennungsluft bekannt. Hierzu fließt der Brennstoff zum Ende eines eine zentrale Bohrung aufweisenden Bolzens eines Wandlers, der piezoelektrisch in Vibration versetzt wird, dessen Frequenz im Ultraschallbereich liegt, so daß der durch die Bohrung fließende Brennstoff am Ende der Bohrung bei seinem Austritt zerstäubt wird. Die Verbrennungsluft wird erst nach dem Austritt des Brennstoffs diesem zugemischt.

Schließlich ist aus FR-Z »GAZ et MAZOUT«, Decembre 1970, Seiten 47 bis 48 ein Brenner für Heizungsanlagen bekanntgeworden, bei dem Heizöl und Wasser mit einem Anteil von 2Ö bis 30% Wasser mittels einer dort nicht dargestellten Mischvorrichtung emulgiert wird, um dann mittels einer Pumpe in den Verbrennungsraum überführt zu werden. Nach dieser Veröffentlichung ist eine direkte elektrische Zündyng einer Emulsion mit einem Wasseranteil bis zu 15 bis 20% möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß eine äußerst feine und stabile Emulsion des Brennstoffs und des Wassers in einem weiten Bereich des Wasserzusatzes erreicht wird.

Ausgehend von der eingangs genannten Vorrichtung ist diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß bei einem Wasseranteil von 10 bis 50% die Ultraschallschwingungen über eine durch einen Generator

to erregte Schallsonde auf eine Platte übertragen werden, deren Querschnitt größer als der Querschnitt der Schallsonde ist und die mit dem Ende des Gehäuses einen engen Zwischenraum als Öffnung begrenzt, und daß Brennstoff und Wasser eine · zwischen Gehäuse und Schallsonde befindlichen Ringrau ' zuführbar sind. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Voi richtung wird eine dem Durchtritt der Flüssigkeiten dienende kreisringförmige enge Zone geschaffen, in die die Ultraschallwellen über die Platte überraschend gut '·ϊη-gekoppelt werden, so daß ein vollständiges Emulgieren des die Piatte verlassenden, infolge der Rüssigk iisführung zur Platte längs der Schallsonde bereits narliell emulgierten Flüssigkeitsgemisches erreicht wiru. Der Wasseranteil kann daher, ohne der Verbrennung zu schaden, erhöht werden. Da eine weitgehend vollständige Verbrennung erreichbar ist, lassen sich Luftverschmutzungen durch Kohlenmonoxide und Stickoxide sowie Ruß und unvervrannte Kohlenwasserstoffe vermindern.

Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß auf das Erhitzen von schwerem Rückstandsöl mittels Dampf bei dessen Verbrennung verzichtet werden kann. Überraschenderweise ha', sich nämlich gezeigt, daß Schweröl und Wasser leichter als Leichtöl und Wasser mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu emulgieren sind. Durch den beträchtlichen Wasseranteil wird seine Viskosität niedrig genug, um es ohne Vorwärmung verbrennen zu können. Die Ursache hierfür mag in dem Umstand zu finden sein, daß Schweröl Verunreinigungen enthält, die das Emulgieren in der ^ngen kreisförmigen Zone unterstützen und die in reineren, leichteren Heizölen nicht vorhanden sind.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier in der Zeichnung schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele beschrieben. Es zeigt

Fig. I in schaubildlicher Darstellung einen einen Schallemulgator aufweisenden Brenner für eine Feuerung;

F i g. 2 eine Vorderansicht der vergrößerten Platte am Ende der Sonde der Ausführungsform nach Fig. 1; und Fig.3 eine halb-schaubildliche Darstellung eines Schallemulgators für den Einsatz in Verbindung mit Brennkraftmaschinen.

In Fig. 1 ist ein Ultraschallgenerator 1 dargestellt.

von dem eine Schallsonde 2 in Form eines akustischen Wandlers betrieben wird. Brennstoff, beispielsweise Haushaltsheizöl, wird über eine Leitung 5 zugeführt und vereinigt sich mit einem über eine Leitung 7 zugeführten Wasserstrom auf dem Weg in und durch ein Gehäuse 15. In den Leitungen befinden sich durch den Brennstoffdruck bzw. Wasserdruck zu öffnende Ventile 18. Diese beiden Ströme treffen in einen ringförmigen Raum zwischen dem Gehäuse 15 und der Schullsonde 2. Die starken Schallschwingungen emulgieren die zwei Ströme, die dann den Ringraum in axialer Riehtung durch einen engen Zwischenraum 6, der von einu' Platte 10 begrenzt ist, deren Querschnitt größer als der Querschnitt der Schallsonde ist, verlassen. Die Platte 10 ist an

dem schwingenden Ende der Schallsonde 2 angeordnet Luft wird an der Stelle 20 zugeführt, so daß sich hinter der Platte eine Flamme ergibt Die Schallsonde 2 weist einen herkömmlichen Aufbau aus einem Stapel nicht dargesteliter piezoelektrischer Platten auf, die von einem ebenfalls nicht dargestellten Hochfrequenzoszillalor erregt werden, der beispielsweise bei einer Frequenz von ungefähr 20 000 Hz arbeitet Die Platte 10 am Ende der Schallsonde kann eine flache Platte sein oder auch mit einer geeigneten Schallwand, beispielsweise mit einer spiralförmigen Schailwand, versehen sein, um die Verweildauer des Gemenges in dem starken Schallmischungsfeld zu verlängern.

Ferner ist ein Gesamtgehäuse 17 dargestellt, durch welches die Luft mittels eines Gebläses 13 geblasen wird. Diese Luft strömt über den Ultraschallgenerator, kühlt ihn, was bei einem großen Brenner erforderlich ist, und strömt schließlich über das Ende des Gehäuses 15 zur Platte 10. Die Platte weist eine Reihe von kleinen ringförmigen Vertiefungen 11 mit einem mittig angeordneten Vorsprung 12 auf. Dies ist in F i g. 2 dargestellt Wie bereits beschrieben, ist der Zwischenraum zwischen dem Ende des Gehäuses 15 und de·· Platte 10 ziemlich eng, in F i g. 1 der Deutlichkeit haitier jedoch etwas übertrieben groß dargestellt Der bereiis teilweise cmulgierte Brennstoff-Wasser-Film fließt über die Platte 10, wo er äußerst fein emulgiert, zerstäubt und unter Bildung der Flamme senkrecht dazu eine gewisse Strecke weggeschleudert wird, wie dies durch 19 in F i g. 1 dargestellt ist.

Während 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.

In Fig. 3 ist eine Abwandlung der beschriebenen Vorrichtung für eine Brennkraftmaschine dargestellt. Die Schallsonde ist mit demselben Bezugszeichen bezeichnet wie in Fig. I₁ aber in der Form des Sondenendes etwas verschieden; es ist in die Platte 10 ausgeweitet. Die PL-'.te ist glatt bzw. in sich eben und weist keine ringförmigen Vertiefungen wie in Fig. 2 auf. Benzin wird über die Leitung 14 und Wasser über eine Leitung 13 in den ringförmigen engen Raum 6 zwischen der Sonde 2 und dem Gehäuse 15 zugeführt. Die beiden Flüssigkeiten fließen nach unten, bis sie auf die Kante der ausgeweiteten Platte 10 treffen, wo sie entlang der l'lytteriobcrfläche weiterströmen, zerstäubt und gleichzeitig emulgiert werden. Luft wird der zerstäubten Emulsion über einen Luftkanal 16 zugeführt; die sich ergebende Mischung v.'rd dann in die angedeutete Verteilerleitung einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine eingespeist.

Die Platte 10 steht über das Gehäuse 15 hinaus vor; der Zwischenraum 6 zwischen dem Gehäuse und der Schallsonde 2 ist in F i g. 3 übertrieben groß dargestellt; die starke Schallmischung der Platte schleudert eine fein verteilte Emulsion von den oberen Flächen des Vorsprungs ab. Da die Ausführungsform in F i g. 3 für einen Anschluß an eine Verteilerleitung einer Brennkraftmaschine ausgelegt ist, ist ein gewisses Vakuum vorhanden; dies bewirkt, daß die Emulsion um die Kante der Platte herumgerissen wird, wie durch Pfeile dargestellt ist. Es findet daher eine sorgfältige Mischung mit der Luft statt; es ist hier aber nicht notwendig, daß die Emulsion von den Schallschwingungen in das Verteilerrohr geschleudert wird, während es bei dem in F i g. 1 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 Brennrichtung geschleudert wird; bei einem normalen Brenner ist natürlich kein Vakuum vorhanden, wie es in der Verteilerleitung einer Brennkraftmaschine existiert.

Eine mit einer in der Luft zerstäubten Benzin -Wasser-Emulsion gespeiste Brennkraftmaschine lief mit derselben Leistung wie bei reinem Benzin; die Verunreinigungsstoffe wurden aber stark reduziert, und zwar wurden unverbrannte Kohlenwasserstoffe praktisch auf Null, Kohlenmonoxide stark und Stickoxide noch mehr reduziert

Die folgenden Zahlenangaben geben die Konzentrationen der Verunreinigungsstoffe an; die Maschine lief unter Last mit ungefähr 5000 l/min. Die Werte betragen: Kohlenmonoxid 054%, unverbrannte Kohlenwasserstoffe 0,0 und Stickoxide 1135 p- v..

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Vorrichtung zum Emulgieren von flüssigem Brennsicff und Wasser sowie zum Zerstäuben in einen Brennraum durch eine ringspaltförmige Öffnung in einem Gehäuse unter Anwendung von UI-traschallschwingungen, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Wasseranteil von 10 bis 50% die Ultraschallschwingungen über eine durch einen Generator (1) erregte Schallsonde (2) auf eine Platte (10) übertragen werden, deren Querschnitt größer als der Querschnitt der Schallsonde (2) ist und die mit dem Ende des Gehäuses (15) einen engen Zwischenraum (6) als Öffnung begrenzt, und daß Brennstoff und Wasser einem zwischen Gehäuse (15) und Schallsonde (2) befindlichen Ringraum zuführbar sind.