DE3240651C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Dampf für eine Verbrennungszone nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

Es ist bekannt, daß die Anwesenheit geringer Wassermengen einen katalytischen Einfluß auf die Verbrennung hat.

Seit vielen Jahren werden Dampf­ generatoren, bei denen der Dampf durch Blasenbildung er­ zeugt wird, bei Verbrennungskraftmaschinen wirksam einge­ setzt. In den vergangenen 10 Jahren wurden bedeutende Ver­ besserungen bei Blasen-Dampfgeneratoren erzielt, die so­ wohl für Heizapparate als auch für Verbrennungskraft­ maschinen geeignet sind. Der genaue Mechanismus, durch den das Wasser die Verbrennung fördert, ist bis heute noch nicht ganz vollständig verstanden worden. Die Verbrennung ist ein außerordentlich komplexer chemischer Vorgang. Eine weitere Verständnisschwierigkeit besteht darin, daß der Blasenbildungsvorgang bei der Dampferzeu­ gung in der Regel bessere Ergebnisse erbrachte als andere Verfahren, und zwar ebenfalls aus bisher unbekannten Gründen.

Zum Zwecke eines besseren Verständnisses der hier in Rede stehenden Vorgänge haben Wissenschaftler einschlägige Un­ tersuchungen ausgeführt. Diese Untersuchungen ergeben zwar keine vollkommene Antwort auf den katalytischen Mechanis­ mus des Wassers, sie erbrachten jedoch die Entdeckung, daß die auf Blasenbildung beruhende Dampfgeneratoren die Ei­ genschaft haben, negative Ionen zu erzeugen.

Ferner wurde gefunden, daß diese negativen Ionen mit dem Ausmaß der erzielten Verbrennungsverbesserungen im Zusam­ menhang stehen.

Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist aus der CH-PS 6 25 871 bekannt. Bei der bekannten Vorrichtung ist es schwierig, die Erzeugung negativer Ionen in optimaler Weise zu steuern und dabei zwei besonders wesentliche Einflüsse, nämlich das Blasenverhältnis und die Turbulenz entsprech­ end einzustellen. Gerade die Veränderung des Blasenver­ hältnisses, also die Anzahl der pro Zeiteinheit durch die Flüssigkeit strömenden Blasen, kann bewirken, daß der aus­ tretende Ionengehalt in seiner elektrischen Ladung schwankt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung die Erzeugung negativer Ionen in einer Dampf­ erzeugungsvorrichtung zu maximieren und zu stabilisieren.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Insbesondere der zweite Gaseinlaß ermöglicht die Einstel­ lung des Blasenverhältnisses, ohne dabei Turbulenzen er­ zeugende Mittel oder Ventile am Auslaß des Dampfgenerators einsetzen zu müssen. Hierdurch wird die Belastung der Pum­ pe unabhängig von der Strömung durch den ersten Gaseinlaß.

Die nachstehende Beschreibung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung, die schematisch ein bevorzugtes Ausführ­ ungsbeispiel zeigt, der weiteren Erläuterung der Erfin­ dung.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung findet ein Behälter Anwendung, der eine wasser­ haltige dielektrische Flüssigkeit enthält. Eine erster Gaseinlaß ist unterhalb des Flüssigkeitsspiegels im Behälter angeordnet, während ein Gasauslaß oberhalb des Flüssigkeitsspiegels vom Behälter ausgeht. Ein zweiter Gaseinlaß oberhalb des Flüssigkeitsspiegels steuert zusammen mit einem Ventil am ersten Gaseinlaß die Menge der erzeugten Blasen und den gesamten Gasstrom durch die Vorrichtung. Eine Pumpe ist so angeschlossen, daß zwischen dem ersten Gaseinlaß und dem Gasauslaß ein Druckunterschied erzeugt wird, der seinerseits die Ursache für die Blasenbildung ist.

Das Betriebsverfahren erfordert, daß der normale Lufteinlaß der Verbrennungszone an einem Verbindungspunkt, an welchem die erfindungsgemäße Vorrichtung angeschlossen werden soll, gemessen wird.

Der Ausgang der Vorrichtung wird dann durch eine entsprechende Einstellung des Eingangs und einer Rezirkulation so einjustiert, daß er an die gemessene Menge angepaßt ist. Bei Durchführung dieser Einstel­ lungen wird die Blasenbildung gleichzeitig quantitativ eingestellt, so daß 5000 cm³ plus/minus 20% je Stunde pro 105 550 kg Brennstoffverbrauch pro Stunde durch die Vorrichtung hindurch und zur Verbrennungs­ zone gelangen. Ein im Austrittsweg der Vor­ richtung in der Nähe der Verbrennungszone an­ geordnetes Elektrometer kann zum Zwecke weiterer Einstellungen dienen, um auf diese Weise Ablesungen der maximalen negativen Spannung zu erhalten.

Bei der dargestellten Vorrichtung wird ein Gas, ge­ wöhnlich Umgebungsluft, in Form von Blasen durch eine in einem Behälter 10 enthaltene Flüssigkeit 11 hin­ durch geleitet. Der Behälter 10 kann aus Kunststoff, beispielsweise Polyvinylchlorid, hergestellt sein. Der Behälter 10 ist nur teilweise mit der Flüssig­ keit 11 gefüllt, bei der es sich um eine Wasser ent­ haltende, dielektrische Flüssigkeit handelt. Die Flüssigkeit 11 kann entionisiertes oder destilliertes Wasser sein. Verschiedene Zusätze wurden verwendet, um den Gefrierpunkt oder den katalytischen Einfluß der Flüssigkeit zu verbessern. Eine unmischbare, aufschwimmende Schicht aus einer weiteren dielek­ trischen Flüssigkeit mit niedriger oder vernach­ lässigbarer Verdampfungsgeschwindigkeit wurde als eine Steuerschicht benutzt, um ein turbulentes Ver­ spritzen zu reduzieren und diejenige Geschwindigkeit zu steuern, mit welcher Wasser aus dem Behälter 10 abgesaugt wird. Solche aufschwimmenden Flüssigkeiten wurden im Hinblick auf eine minimale Schäumung aus­ gewählt. Verschiedene, im Handel verfügbare synthe­ tische Öle erwiesen sich als geeignet. Weder diese aufschwimmende Schicht als solche noch ihre besondere Zusammensetzung sind im Hinblick auf die Erfindung kritisch. Die Schicht ist daher in der Zeichnung auch nicht dargestellt. Salze, alkalische oder saure Zusätze in der Flüssigkeit 11 verringern die Ionen­ erzeugung, und zwar offensichtlich aufgrund des Vorhandenseins überschüssiger, beweglicher Ladungen.

Weder die Größe des Behälters 10 noch die Tiefe der Flüssigkeit 11 sind kritisch. Der Behälter 10 hat wenigstens einen ersten Gaseinlaß 12 und wenigstens einen Gasauslaß 14. Der Gaseinlaß 12 kann mit dem Behälter 10 entweder oberhalb oder unterhalb des Flüssigkeits­ spiegels 15 verbunden sein. Wenn der Einlaß 12, wie in der Zeichnung dargestellt, oberhalb des Spiegels 15 liegt, muß ein Leitungsstück 16 mit dem Einlaß 12 im Innern des Behälters verbunden werden und sich bis unterhalb des Flüssigkeitsspiegels 15 erstrecken, so daß die gewünschte Blasenbildung eintritt. Der Einlaß 12 ist außerhalb des Behälters 10 mit einer Gasquelle verbunden, vorzugsweise mit der Umgebungs­ luft. Wenn der Einlaß 12 mit Umgebungsluft verbunden ist, wird vorzugsweise ein Luftfilter 17 vorgeschaltet, insbesondere in stark verunreinigter Atmosphäre. Ein Filter, welches Partikel mit einer Abmessung größer als 90 Mikron ausfiltert, erwies sich als einsatzfähig. Wenn der Filter gröber ist, verliert die Flüssigkeit 11 in verunreinigter Atmosphäre all­ mählich die erforderliche dielektrische Eigenschaft und muß ersetzt werden. Wenn der Filter 17 sehr viel feiner ist, wurde die Erzeugung negativer Ionen gewöhnlich reduziert. Ob dies auf bestimmte Eigen­ schaften des Filters zurückzuführen ist oder ob bestimmte kleine Partikel, die in der normalen Um­ gebungsluft vorhanden sind, die Betriebsweise der Vorrichtung verbessern, ist unbekannt.

Der Gaseinlaß 12 ist mit einem Ventil 13 verbunden, das vor oder nach dem Filter 17 liegen kann. Mit Hilfe des Ventils 13 läßt sich eine einstellbare Querschnittsverringerung am Gaseinlaß 12 erreichen. Dies stellt einen Teil der quantitativen Blasen­ steuerung dar.

Eine Druckquelle kann am Einlaß 12 vorgesehen werden, um die Blasenbildung zu erzeugen. Vorzugsweise wird jedoch eine Druckquelle am Auslaß 14 angeschlossen, und zwar aus Gründen, die nachstehend noch erläutert werden.

Der Gasauslaß 14 ist oberhalb des Flüssigkeits­ spiegels 15 am Behälter 10 vorgesehen und durch Leitungen 20 und 21 mit einer Verbrennungszone 18 verbunden. Bei der bevorzugten Ausführungs­ form der Erfindung, die auf der Zeichnung dargestellt ist, ist eine Druckmittelquelle in Gestalt einer Pumpe 22 im Bereich der Leitungen 20, 21 vorgesehen. Die Leitung 20 verbindet den Gasauslaß 14 mit der Einlaß- oder Saugseite der Pumpe 22, während die Leitung 21 die Auslaß- oder Druckseite der Pumpe mit der Verbrennungszone 18 verbindet.

Ein zweiter Gaseinlaß 23, der oberhalb des Flüssig­ keitsspiegels 15 am Behälter 10 vorgesehen ist, dient dazu, eine Steuerung des durch die Leitung 21 zur Einrichtung 18 ausströmenden Gasvolumens zu ver­ mitteln. Der Einlaß 23 steht über eine Leitung 24 und ein Ventil 25 mit einer Gasquelle, beispiels­ weise Umgebungsluft, über einen Einlaß 26 in Ver­ bindung. Ein dem Filter 17 ähnlicher Luftfilter 27 kann am Einlaß 26 eingesetzt werden. Da das am Einlaß 23 eintretende Gas die Flüssigkeit 11 um­ geht, reduziert es die durch die Flüssigkeit 11 aus dem Einlaß 12 strömende Gasmenge, so daß sie auf die Blasenbildung einen quantitativen Ein­ fluß ausübt.

Vorzugsweise wird die Gasmenge, welche über die Leitung 21 der Zone 18 zugeführt ist, über eine Rückkopplungs- oder Rezirkulationsleitung 28 gesteuert, welche die Leitung 21 mit einem T-Stück 30 verbindet. Dieses T-Stück verbindet das Ventil 25, den Einlaß 26 und die Leitung 28 miteinander. Bei dieser Anordnung ist zwischen Einlaß 26 und T-Stück 30 ein weiteres Ventil 31 vorgesehen. Obwohl auch dieses Ventil 31 ein einstellbares Ventil sein kann, wird vorgezogen, ein fixiertes, lediglich nach einer Richtung hin wirksames Ventil zu verwenden, welches ausschließlich einen Lufteinlaß zuläßt. Das Ventil 31 dient dazu, die Ausströmung aus der Druckseite der Pumpe 22 durch den Einlaß 26 herabzusetzen. Obwohl normalerweise am Einlaß 26 ein Saugeffekt vorherrscht, kann sich dies doch dann ändern, wenn Veränderungen der Betriebsbedingungen eintreten. Ein nur nach einer Richtung hin wirksames Rückschlag­ ventil 31 trägt solchen Veränderung Rechnung.

Der Anschluß der Leitung 21 an die Verbrennungszone 18 kann auf mehrere Weisen erfolgen. Wenn die Zone 18 ein Gebläse oder einen Kompressor für die Einführung von Verbrennungsluft aufweist, kann die Leitung 21 mit dem Eingang eines solchen Gebläses oder Kompressors verbunden werden. Die Leitung 21 kann auch mit Hilfe eines Rohres mit einem Punkt niederen Druckes in der Nähe der Verbrennungs­ zone 18 verbunden werden. Eine solche Stelle niederen Druckes ist als ein Punkt in der Nähe der Verbrennungsflamme definiert, wobei Luft mit dem atmosphärischen Druck der Umgebung in die Flamme hineingezogen wird.

Bei Verbrennungseinrichtungen mit stark unterschied­ lichen Feuerungsgeschwindigkeiten, zwischen denen die Einrichtungen von Zeit zu Zeit umgeschaltet werden, ist es vorzuziehen, die Leitung 21 mit der Einrichtung 18 über einen Puffer 35 zu verbinden. Ein geeigneter Puffer ist eine Kammer mit einer Einlaßverbindung zur Leitung 21, mit einem zur um­ gebenden Atmosphäre hin führenden Einlaß und mit einem zur Zone 18 hin führenden Auslaß. Der Zweck des Puffers 35 liegt darin, die Turbulenz in dem Ionendampf-Generator zu reduzieren, welche durch ein beträchtliches Ansteigen der Saugwirkung in der Zone 18 verursacht werden können.

Es versteht sich, daß eine Vorrichtung gemäß der Erfindung gegenüber einer Reihe von Umständen sehr empfindlich ist. Wenn beispielsweise die Umgebungs­ luft eine positive Überschußladung mit sich führt, wie dies durch eine Ionisierung aus in der Nähe stehenden Elektromotoren verursacht werden kann, muß die eingebrachte Luft entweder von einer weit entfernt gelegenen Stelle stammen oder die Ladung muß zunächst neutralisiert werden. Elektrisch leiten­ de Teile in der Vorrichtung selbst müssen normalerweise vom Erdpotential isoliert werden, um einer Neutra­ lisation des Aufbaues negativer Ionen vorzubeugen. Hohe Geschwindigkeiten und andere Ursachen von Turbulenzen erwiesen sich im Hinblick auf den Auf­ bau einer negativen Ionenladung ebenfalls als schäd­ lich. Daher ist der Weg vom Gasauslaß 14 zur Ver­ brennungszone 18 vorzugsweise frei von Ventilen oder ähnlichen Querschnitts-Verringerungs­ einrichtungen und hat vorzugsweise eine Länge von nicht mehr als 2 m. Die Pumpe 22 wird vorzugsweise als Balgpumpe ausgebildet und nicht als Pumpe mit rotierenden Flügeln. Rotierende Flügel erzeugen an den Flügelkanten unerwünschte Turbulenzen.

Die Größe der Leitungen und Öffnungen werden für kleine Geschwindigkeiten und langsame Blasenbildung je nach dem Strömungsbedarf des betreffenden Systems ausgewählt. Eine weitere auftretende Sensitivität geht offensichtlich auf elektrische Felder zurück, die sich zwischen verschiedenen Teilen des Generators aufbauen. Um dies zu vermeiden, werden Leitungsmittel mit geringem elektrischem Widerstand verwendet. Ferner werden elektrisch iso­ lierende Teile, welche bestimmte Leitungsstücke voneinander trennen, überbrückt. Ein geeignetes Leitungsmittel ist ein Kunststoffrohr, welches einen in den Kunststoff eingegossenen Kohlenstoffstreifen enthält. Derartige Rohre erwiesen sich insbesondere für die Leitungen 20, 21, 24 und 28 als geeignet. Ein Draht 36 verbindet die Leitungen 20, 21 und 24, wie auf der Zeichnung dargestellt. Der Draht 36 ist ein elektrisch leitender Draht und kann mit den Leitungen 20, 21 und 24 durch aus rostfreiem Stahl bestehende Schlauchklemmen oder andere Mittel verbunden werden, durch welche der Draht fest in die Kohlenstoff­ streifen eingepreßt wird. Weitere Drahtverbindungen werden vorzugsweise dort verwendet, wo die einen geringen Widerstand aufweisende Bahn durch aus Kunst­ stoff bestehende T-Stücke, Kupplungen, Ventile od. dgl. unterbrochen ist.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, wie sie praktisch an einem handelsüblichen Brenner ein­ gesetzt werden kann, wird in dem nachstehenden Bei­ spiel angegeben.

Beispiel

Die Verbrennungszone 18 bildete ein Dampfofen, in welchem Heizöl mit einer Geschwindigkeit von 114 Litern pro Stunde verbrannt wurde.

Der Behälter 10 hatte ein Volumen von 15 Litern und bestand aus Polyvinylchlorid-Material von 5 mm Dicke.

Die Flüssigkeit 11 bestand aus 11,5 Litern destil­ liertes Wasser.

Die Leitungen 20, 21 und 24 waren Kunststoffrohre und hatten einen Innendurch­ messer von 10 mm und einen Außendurchmesser von 13 mm. Sie enthielten einen entlang ihrer Längsachse verlaufenden, elektrisch leitenden Kohlenstoffstreifen.

Der Luftfilter 17 war ein Filter mit einer Filter­ feinheit von 90 Mikron.

Die Pumpe 22 war eine Pumpe mit Gummibalg, die ganz aus Kunststoff und Gummi bestand und eine Strömungs­ kapazität von 28 300 cm³ pro Stunde aufwies.

Der Gaseinlaß 23 war so, wie auf der Zeichnung dar­ gestellt, ausgebildet, er wies jedoch ein einstell­ bares, nach zwei Richtungen hin wirksames Ventil 31 auf.

Der Draht 36 war ein elektrisch leitender Kupfer­ draht, der durch Schlauchklemmen lediglich mit den Leitungen 20 und 21 verbunden war.

Die Verbindung zur Verbrennungszone 18 erfolgte über eine Verbindungsleitung 21, die an den Einlaß des Brenner­ gebläses angeschlossen war.

Betriebsweise

Die Luftströmung wurde am Verbindungspunkt mit dem Gebläse gemessen, wobei ein kurzes Stück des gleichen Rohres verwendet wurde, aus dem auch die Leitung 21 bestand. Die gemessene Strömung betrug 142 l/h. Die Ionendampferzeugung wurde zunächst ohne Verbindung mit dem Brenner eingestellt, und zwar derart, daß sich in der Leitung 21 eine Gasausströmung von etwa 142 l/h ergab.

Die Ionendampferzeugung wurde weiterhin am Ventil 13 derart eingestellt, daß Luft durch die Flüssigkeit 11 in einem Ausmaß hindurchtrat, die etwa 5 l pro 105 550 kJ gleich war. Bei einer Feuerungsgeschwindig­ keit von 114 l pro Stunde ergab dies 150 l/h. Die tatsächliche Einstellung wurde bei einer Menge von etwa 140 l/h vorgenommen, um sie kleiner als der Gesamtausgang an der Leitung 21 zu halten. Dies liegt innerhalb des zulässigen Toleranzbereiches von 20%. Aufgrund einer Wechselwirkung müssen die Ventile 13 und 25 zusammen eingestellt werden, um die richtigen Strömungen zu erhalten. Nunmehr wurde die Leitung 21 an das Gebläse der Verbrennungszone mittels eines T-Stücks an das vorerwähnte, kurze Rohr angeschlossen. Das T-Stück diente als Adapter, in dem die Sonde eines Elektrometers angeordnet wurde. Während des Betriebs des Brenners und des Ionendampfgenerators wurden den Ventilen 13 und 25 kleine Nachjustierungen erteilt, um eine maximale negative Spannung am Elektrometer ablesen zu können. Als Ergebnis hiervon ergab sich eine Einsparung an Brennstoff von 13% und eine beträchtliche Verringe­ rung der Schadstoff-Emission.

Das Betriebsverfahren der Erfindung spielt sich im wesentlichen so ab, wie im voranstehenden Beispiel angegeben. Die Variationen, welche dadurch einge­ führt werden, daß man die Elektrometerablesungen bei einem Maximum hält, fallen im allgemeinen inner­ halb des Toleranzbereiches von plus/minus 20% be­ zogen auf die bevorzugten Strömungsgeschwindigkeiten. Größe und Lage der Verbindung mit der Verbrennungseinrichtung müssen derart sein, daß die eingesaugte Luft ohne ange­ schlossene Vorrichtung wenigstens 5 l pro 105 550 kJ, ± 20% an verbrauchtem Brennstoff und pro Stunde sind.

Die Erfindung eignet sich auch für andere Verbren­ nungseinrichtungen als Öfen oder Brenner.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Dampf für eine Verbren­ nungszone (18) mit
einem teilweise mit einer dielektrischen Flüssigkeit (11) unter Einschluß von Wasser gefüllten Behälter (10);
einem durch ein Ventil (13) steuerbaren ersten Gasein­ laß (12) , der unterhalb des Flüssigkeitsspiegels (15) des Behälters liegt;
einem Gasauslaß (14) oberhalb des Flüssigkeitsspiegels;
einer Pumpe (22) zum Aufbau eines Druckunterschieds zwischen dem Gaseinlaß und dem Gasauslaß, so daß das Gas in Gestalt von Blasen aus dem Gaseinlaß durch die Flüssigkeit hindurchtritt und anschließend durch den Gasauslaß aus dem Behälter heraus gelangt; dadurch gekennzeichnet, daß
ein zweiter Gaseinlaß (23) mit einem Ventil (25) in der in Strömungsrichtung hinter dem Flüssigkeits­ spiegel gelegenen Gasströmungsbahn zur steuerbaren Re­ duzierung des Gasflusses durch die Flüssigkeit, ohne dabei die Gasströmung durch den Gasauslaß zu verän­ dern, vorgesehen ist;
der Gasauslaß (14) und eine hieran sich anschließende, zur Verbrennungszone (18) führende Leitung (20, 21) über eine elektrische Leitungsstrecke (36) von ge­ ringem Widerstand miteinander verbunden sind;
ein Elektrometer in der zur Verbrennungszone (18) führenden Leitung (21) zur Messung des Potentials des Dampfes angeordnet ist und die Luftströmung über die Ventile (13, 25) auf die maximale negative Spannung einstellbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugseite der Pumpe (22) mit dem Gasauslaß (14) und die Druckseite der Pumpe mit der zur Verbren­ nungszone (18) führenden Leitung (21) verbunden sind, und daß eine Rezirkulationsleitung (24, 28) vorgesehen ist, welche die Leitung (21) mit dem zweiten Gaseinlaß (23) verbindet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Gaseinlaß (23) zusätzlich über ein nur in einer Richtung wirksames Einlaßventil (31) und ei­ nen Einlaß (26) mit der Umgebungsluft in Verbindung steht.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem ersten Gaseinlaß (12) ein Filter (17) angeordnet ist, das Teilchen größer als etwa 90 Mikron abtrennt.