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Verfahren und Gerät zur Herstellung einer
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Emulsion von öl und Wasser Die Erfindung betrifft ein Verfahren bei
der Herstellung und der Aufbereitung einer Emulsion von Öl und Wasser.
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Es ist bekannt, dass man durch Mischen von Wasser mit öl vor der Verbrennung
in einer Heizanlage eine erhebliche Herabsetzung der Ol-Koks-Bildung und dadurch
eine Herabsetzung der Verunreinigung erreichen kann. Versuche haben gezeigt, dass
es
in diesem Zusammenhang von massgebender Bedeutung i ist, teils dass die Wassertropfen
im Öl gut verteilt sind und teils dass sie sehr zerteilt sind Je grösser eine Verteilung
und Zerteilung erreicht werden um so weniger Wasser ist es notwendig beizumischen,
kann die gewiinschte Verbesserung zu erreichen, und um so besser wird der Wirkungsgrad
Aus der deutschen Veroffentlichungsschrift Nr 2220632 geht her'yor, dass sich öl
und Wasser mittels eines Kavitationsejektors, der von Öl durchströmt wird, emulgieren
lassen, und wodurch das Wasser in dem Bereich beigemischt wird, wo die Kavitation
stattfindet. Das Vermischen von Wasser und Öl erfolgt somit auch in diesem Bereich.
Das Mischungsverhältnis zwischen Wasser und Öl ist jedoch so, dass das Wasser nur
eine kleinere Menge ausmacht, wie z,B. 5-20%o Bei diesem bekannten Verfahren ist
die Hohlraumbildung auf einen engen Bereich begrenzt, wo hauptsächlich das Wasser
vorhanden ist, das also an dieser Stelle beigemischt wird, während der grösste Teil
des Öls um diesen Bereicht herumströmt. Aus dieser Technik ergibt sich deshalb keine
ausreichende Verteilung der Wassertropfen im Öl.
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Von der deutschen Veröffentlichungsschrift Nr. 2655901 kennt man ein
Gerät und ein Verfahren, wobei das Vermischen und das Emulgieren dadurch entstehen,
dass Wasser und Öl in einen Rotor hineingeleitet werden, der dann das Gemisch gegen
eine Ringfläche schleudert, Bei diesem Verfahren ist es schwierig, die Mengen genügend
genau zu dosieren.
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Mit dieser Erfindung wird bezweckt, eine einfache Technik nachzuweisen,
nach der man rationell eine Wasser-Öl-Emulsion herstellen kann, in der die Wasserpartikeln
sowohl gut zerteilt als auch im O1 gut verteilt sind.
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Die Eigenart dieses Verfahrens besteht darin, dass die Bestandteile
der Emulsion gleichzeitig in denselben Raum hinein zerstäubt werden und dass die
Emulsion danach durch
eine oder mehrere Kavitationspumpen geführt
wird. Hiedurch wird in der ersten Stufe erreicht, erstens dass die Partikeln im
Raum zusammenstossen und -zweitens dass man durch Zerstäubungsdüsen ebne genaue
Dosierung erreicht, d.h., , dass man das Mischungsverhältnis steuern kann. In der
zweiten Stufe wird die Kavitation eine weitere Zerteilung und Verteilung zur Folge
haben, da eben das Wasser infolge des Siedepunktsunterschieds zwischen Wasser und
öl Hohlräume bilden wird. Es ist anzunehmen, dass die Kavitation in den einzelnen
Wassertropfen zu deren weiteren Aufteilung rührt.
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Unter allen Umständen hat es sich durch das erfindungsgemässe Verfahren
als möglich erwiesen, eine durchschnittliche Wassertropfengrösse von 2-5 pin (1/500-1/200
mm) zu erreichen, und es lässt sich nachweisen, dass diese Wassertropfengrosse ganz
gleichmässig verteilt wird, d.h., dass die Emulsion als homogen bezeichnet werden
kann. Dabei hat sich die Emulsion als so gut erwiesen, dass man den Wassergehalt
des öls hat herabsetzen können. Bisher ist es beim Heizen mit schwerem Heizöl üblich
gewesen, 10-20% Wasser beizumischen, um dadurch die Ol-Koks-Emission herabzusetzen.
Bei Verwendung einer nach dem erfindungsgemassen Verfahren hergestellten Emulsion
hat es sich als möglich erwiesen, durch eine Wasserbeimischung von ungefähr 5% die
gleiche Herabsetzung der Ol-Koks-Emission zu erreichen. Dann wird die Ol-Roks-Emission
um 90-99t herabgesetzt.
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Die Wirkung der ersten Stufe des Verfahrens lässt sich verbessern,
falls man erfindungsmäss beim Zerstäuben die zerstäubt ten Strahlen von den einzelnen
Bestandteilen der Emulsion gegeneinander richtet.
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Die Wirkung der zweiten Stufe des Verfahrens lässt sich dadurch verbessern,
dass erfindungsgemäss ein Behälter für die Emulsion verwendet wird und dass die
Emulsion im Behälter durch die Kavitationspumpe(n) rezirkuliert wird.
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Die Erfindung betrifft auch ein Gerät zur Ausübung des Verfahrens,
und die Eigenart dieses Gerätes besteht in einem Düsengehäuse mit einem Ablauf,
wo Flüssigkeitsdüsen und Öldüsen einandergegenüber angeordnet sind, so dass die
ausge strahlten Mengen von Öl und Wasser gegeneinander strömen, dass die Düsengrosse
und der Arbeitsdruck so aufeinander abgestimmt sind0 dass der Ablauf fur das Düsengehäuse
mit dem Eintritt zu einer oder mehreren Kavitationspumpen, z.B.
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durch einen Behälter verbunden ist Erfindungsgemäss können Flüssigkeitsdüsen
und Öldüsen paarweise einandergegenüber angeordnet sein, und die Düsenpaare können
an ihren Längenachsen in Verlängerung voneinander angebracht sein. Hierdurch erreicht
man0 wie oben erwähnt, die bestmögiiche Schlagwirkung der Partikeln gegeneinander
und dadurch die bestmögliche Zerteilung und Vermischung.
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Eine Weiterentwicklung des Gerates zeichnet sich dadurch aus, dass
der Ablauf mit der Saugseite einer Kavitationspumpe verbunden ist. Hierdurch wird
auf eine sehr einfache Konstruktion verwiesen, durch die man die hergestellte Emulsion
zu einem höheren Zerteilungsgrad direkt weiterverarbeiten kann.
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Eine andere Weiterentwicklung zeichnet sich dadurch aus, dass der
Ablauf mit einem Behälter verbunden ist und dass der Behälter mit der Saugseite
einer Kavitationspumpe verbunden ist. Durch diese Weiterentwicklung erreicht man
die Pufferwirkunga die ein Behälter ergeben kann. Ferner besteht die Eigenart dieser
Weiterentwicklung darin, dass die Druckseite der Pumpe durch eine Rückleitung mit
dem Behälter verbunden ist und dass in die Rückleitung ein Drosselventil oder dadurch
lass eingeschaltet ist. Hierdurch kann die Qualität der Emulsion im Behälter auf
eine einfache Weise erhalten werden.
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Eine andere Ausfünrungsform des Gerätes ist dadurch eigenartig, dass
die Druckseite der Pumpe mit einem Behälter durch eine Rückleitung verbunden ist
in die ein Drosselventil oder mdurchlass angeordnet ist, und dass die Saugseite
der Pumpe nicht nur mit dem Ablauf sondern auch mit dem Behälter verbunden ist.
Hierdurch sind mehrere Vorteile zu erreichen. Erstens erreicht man, dass die von
dem Düsengehäuse strömende Emulsion direkt für die Weiteraufbereitung in die Pumpe
strömt. Zweitens erreicht man gleiche Druckbedingungen an der Saugseite der Pumpe,
was eine bessere Möglichkeit für die Steuerung der Kavitation gibt. Drittens er
reicht man gute Entwässerung des Düsengehäuses.
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Der Erfindung gemäss kann die Pumpe eine Schleuderpumpe sein.
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Eine solche Pumpe weist nirgendwo Druckvariationen während des Betriebes
auf, und sie ist deshalb für die Erhaltung der Kavitation sehr zweckmässig. Erfindungsgemäss
kann die Pumpe eine Mehrstufenpumpe sein, wo einige der Rotoren entfernt sind. Durch
eine solche Pumpe ist es sehr leicht die Kavitation herzustellen und zu erhalten,
wenn man im übrigen die Spezifikationen der Pumpe in bezug auf den Eingangs- und
den Ausgansdruck befolge Endlich kann das Gerät der Erfindung gemäss dadurch eigenartig
sein, dass es Regelungsmittel dafür gibt die Düsen im Düsengehäuse in Abhängigkeit
des Flüssigkeitsstandes im Behälter anzuhalten und zu starten. Hierdurch kann man
in einer einfachen Weise wechselnde Bedürfnisse für die fertige Emulsion erfüllen.
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Die Erfindung wird näher unter Bezugnahme auf die Zeichnung erklärt,
wo Abb. 1 in einer schematischen Weise ein Düsengehäuse mit Anschlüssen erfindungsgemäss
von oben mit entferntem Deckel gesehen zeigt, Abb. 2 das Gehäuse in Schnitt nach
der Linie II-II in der Abb.
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1, zeigt, wo der Deckel mit punktierten Linien angegeben ist, Abb.
3 ebenfalls in einer schematischen Form eine erfindungsgemässe Ausführung des Gerätes
zeit, und Abb. 4 eine andere Ausführungsform des erfindungsgemässen Gerätes zeigt.
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Die Abb. 1 und 2 zeigen ein Düsengehäuse 1, das als eine Kiste ausgestaltet
ist, die mit einem Deckel 2 zu verschliessen ist.
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In dem Düsengehäuse 1 sind drei öldüsen 3, 4 und 5, die von einer
gemeinsamen Olpumpe 6 gespeist werden, festgeschraubt. Den öldüsen 3, 4 und 5 gegenuber
sind drei Wasserdüsen 7,3 und 9 angeordnet, die in einer entsprechenden Weise von
einer gemeinsamen Wasserpumpe 10 gespeist werden. Die Grösse der O1- und Wasserdüsen
mit dazugehörigem Druck sind aufeinander so abgestimmt, dass das erwünschte Mischverhältnis
in der Emulsion erreicht wird, wenn die Düsen eine zerstäubte Flüssigkeit gegeneinander
spritzen, indem die Düsen wie angedeutet mit den Achsen in derselben waagerechten
Ebene und paarweise übereinander im Oberteil des Gehäuses angebracht sind. Unter
die von den Düsen festgelegte Ebene ist in das Düsengehäuse unten ein Ablauf 11
angebracht. Ausserdem kann das Düsengehäuse 1 wie gezeigt mit einer Entlüftung 12
versehen sein, die in eine Ebene mündet, die höher als die von den Düsen festgelegte
Ebene ist. Wenn die Emulsion so dadurch gebildet worden ist, dass die zerstäubte
Flüssigkeit und das Öl in dem Raum zwischen den Düsen zusammengestossen sind, wird
sie gesammelt und läuft durch den Ablauf 11 ab.
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In diesem Zusammenhang ist es wichtig, dass der Ablauf 11 so gross
dimensioniert ist, dass eine sichere Entwässerung des Düsengehäuses stattfindet,
ohne dass die Zerstäubung gestört wird. Es versteht sich von selbst, dass die Entwässerung
durch die Verwendung einer gesonderten Saugpumpe verstärkt werden kann. Es sei weiter
bemerkt, dass die gezeigte Entlüftung 12 bei dem freien Ablauf nicht notwendig ist,
falls die Lichte im Ablauf von einer hinreichend grossen Abmessung ist. Endlich
sei bemerkt, dass es nicht eine notwendige Voraussetzung ist, dass die Zerstäubung
mittels Düsen zu erfolgen hat. Die Zerstäubung kann mittels anderer bekannter Mittel
erfolgen z.B. durch rotierende Zerstäuberräder. Das Entscheidende besteht nur darin,
dass die zerstäubten Nebel zusammengeführt werden.
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Die Abb. 3 zeigt das Düsengehäuse 1 der Abb. 1 und 2 gemäss in einem
kleineren Masstab seitlich gesehen, und wo der Ablauf 11 in einen Behälter 13 mündet,
indem der Ablauf gegen den Behälter 13 neigt. In Verbindung mit dem Behälter 13
ist eine Pumpe 14 angeordnet, die durch eine Saugleitung 15 mit dem Behälter 13
verbunden ist. In die Druckleitung 16 der Pumpe ist ein Ventil 17 eingeschaltet.
In die Druckleitung 16 ist zwischen der Pumpe 14 und dem Ventil 17 eine Rückleitung
18 eingeschaltet, die zum Behälter zurückführt, und in die ein Drosselvent; Iq ang,epxdt
ist.
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Die Pumpe 14 ist für aie Kavitation berechnet, wenn sie mit einer
Emulsion von Wasser und öl arbeitet. Wegen des Siedepunktsunterschiedes zwischen
dem Wasser und dem öl ist es das Wasser, das Hohlräume bildet. Dadurch werden die
Wasserblasen zerschlagen, und gleichzeitig werden sie durch die von der Pumpe verursachte
Turbulenz besser verteilt. Hierdurch wird die im Düsengehäuse 1 hergestellte Emulsion
durch den Durchlass durch die Pumpe verbessert.
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Durch eine richtige Einstellung der Ventile 17 und 19 ist ein grosser
Rezirkulationsgrad für die Emulsion im Behälter 13 zu erreichen, wodurch die Emulsion,
die das Gerät durch die Leitung 16 und das Ventil 17 verlässt, eine sehr hohe Qualität
bekommt.
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Die Abb. 4 zeigt eine Ausführungsform in derselben Weise wie Abb.
3, wo das Düsengehäuse 1 oben links angeordnet ist. Die Abb. 4 zeigt aber einevorgezogene
Ausführung. Ein Ablauf 20 für das Düsengehäuse 1 neigt gegen den Behälter 21 und
verzweigt sich am Boden des Behälters 21 teils zu diesem bei 22 und teils zu einer
Mehrstufenschleuderpumpe 23 bei 24. Die Pumpe 23 wird von einem elektrischen Motor
25 angetrieben. Am Pumpenaustritt 26 ist ein Ventil 27 eingeschaltet. An den Ablauf
26 für das Ventil 27 ist eine Rückleitung 28 angeschlossen, die zum Behälter 21
zurückführt. In die Rückleitung 28 ist ein Drosselventil 29 eingeschaltet.In den
Behälter 21 sind weiter Niveau-Abtaster 30 und 31 für die niedrigste und die höchste
Ebene plaziert. Diese Abtaster 30 und 31 sind mit einer Steuereinheit 32 verbunden,
die für das Starten der Pumpen 6 und 10 ausgerüstet ist, wenn die niedrigste Ebene
erreicht wird, und für deren Anhalten ausgerüstet jet , wenn die höchste Ebene erreicht
wird. Durch das beschriebene Verfahren, wo die Verzweigungen 22 und 24 der Pumpe
23 ermöglichen sowohl von dem Düsengehäuse 1 und dem Behälter 21 zu saugen, sind
mehrere Vorteile zu erreichen. Erstens wird gesichert, dass der Eintrittsdruck der
Pumpe keiner grossen Variationen ausgesetzt wird, und dieses gibt die Möglichkeit
einer Steuerung der Kavitation. Zweitens sichert man eine gute Entwässerung des
Düsengehäuses 1. Drittens sichert man, dass die von dem Düsengehäuse strömende Emulsion
direkt in die Kavitationspumpe strömt und dort derAufb-erei-t<~ nterworfen wird.
In dieser Weise sind grosse Wasserblasen im Behälter zu vermeiden.
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BEISPIEL 1 Dieses Beispiel bezieht sich auf eine Konstruktion, die
wie die in der Abb. 4 gezeigte aufgebaut ist. Das Düsengehäuse enthält 21
Stück
Düsen für schweres Heizöl, das auf etwa 60-1200C erhitzt ist Diese Düsen sind einer
Art, die etwa 50 Gallonen/St. bei einem Druck von 7-10 atü leistet. Das Düsengehäuse
enthält weiter 21 Stück Düsen für Wasser. Diese Düsen geben etwa 5 Gallonen/St.
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bei demselben Druck. Der Abstand zwischen den gegeneinander gerichteten
Düsen ist etwa 4 cm. Die Kavitationspumpe 23 ist eine 20-Stufen-Schleuderpumpe von
dem Typ Grundfos CP3-200, wo dreizehn von den mittleren Laufrädern oder Rotoren
entfernt sind.
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BEISPIEL 2 Dieses Beispiel bezieht sich ebenfalls auf eine Konstruktion,
die wie die in der Abb. 4 gezeigte aufgebaut ist. Es gibt nur 8 Stück Düsen für
schweres Heizöl und 8 Stück Düsen für Wasser. Der gegenseitige Abstand der Düsen
ist wieder etwa 4 cm. Die Pumpe 23 ist von dem Typ Grundfos CP8-40 KL mit vier Stufen.
Keiner der Rotoren in diesen Stufen ist entfernt. Man sorgt nur durch eine richtige
Einstellung der Eintrittsbedingungen dafür dass die Pumpe Hohlräume bildet.
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Wenn man eine durch diese Geräte hergestellte Wasser/Olemulsion für
die Heizung verwendet, die also etwa 2-88 Wasser von der Viskosität des Öls abhängig
enthält, hat es sich als möglich erwiesen die Ol-Koks-Bildung um 90-99% unter normalen
Bedingungen zu ermässigen. Es sei auch bemerkt, dass eine Entlüftung des Düsengehäuses
nicht notwendig ist. Auch wenn das Düsengehäuse mit einer Flüssigkeit gefüllt ist,
ergibt sich eine gute Wirkung. Aus demselben Grund ist es also auch nicht mit einer
Neigung vom Ablauf notwendig.