DE844373C - Einrichtung zum Vergasen von fluessigen bzw. fluessigkeits-aehnlichen Brennstoffen - Google Patents

Description

• Einrichtung zum Vergasen von flüssigen bzw. flüssigkeitsähnlichen Brennstoffen Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung gum Vergasen von flüssigen bzw. flüssigkeitsähnlichen wasserhaltigen Brennstoffen sowie von wasserdampf-Paltigen Reichgasen, z. B. durch Teiloxydation in Gaserzeugern und Restverbrennung in Brennkraftlnaschinen.
• Bei der motorischen Verbrennung natürlich vorkommender oder künstlich hergestellter brennbarer Flüssigkeiten oder flüssigkeitsähnlicher brennbarer Stoffe, z. B. mit dem Sauerstoff der Luft, versucht man gine möglichst vollständige Umsetzung des brennbaren Stoffes zu den bekannten Verbrennungsendprodukten Kohlendioxyd und Wasser zu erreichen. Es ist bekannt, daB dabei nur ein kleiner Teil der Verprennungswärme als Arbeitsleistung der Kurbelwelle, wenn man die bisher meist angewendeten Verbrennungskraftmaschinen betrachtet, gewonnen wird. Die tatsächliche Arbeitsleistung liegt bei Ottomotoren um 24°/o und bei DiesAmaschinen um 32°/o der Verbrennungswärme. Etwa 30°/o gehen als Wärmeinhalt des Kühlmittels und etwa 25 bis 30°/o mit den Abgasen verloren; dabei liegen die Strahlungs- und Leitungsverluste zwischen 5 und 10%.
• Die Erfindung hat sich u. a. die Aufgabe gestellt, die bisher bekannten Brennkraftmaschinen kraftstoffunabhängig zu machen und die motorische Verbrennung brennbarer Flüssigkeiten, flüssigkeitsähnlicher brennbarer Stoffe und von Reichgasen mit einem hohen Vollständigkeitsgrad ablaufen zu lassen, i z. B. in Kolbenmotoren mit einem Vollständigkeitsgrad von mehr als 9o °/o, und auch schnell laufende Kolbenmotore mit hochsiedenden Schwerölen zu betreiben.
• Erfindungsgemäß wird u. a. das Ziel erreicht, Gaserzeuger und Brennkraftmaschine in der Weise zu einer organischen bzw. betrieblichen Einheit zu verbinden, daß das Leistungsgewicht des Gaserzeugers nicht wesentlich über o,5 kg/PS bzw. o,i5 kg/iooo kcal/h liegt. Im Gaserzeuger werden wasserhaltige brennbare Flüssigkeiten oder flüssigkeitsähnliche brennbare Stoffe, gegebenenfalls auch wasserdampfhaltige Reichgase, so vernebelt, verdampft und vergast, daß ein Brenn- bzw. Kraftgas mit z. B. hohem Heizwert, geringem Gehalt an Inerten, hoher Zündgeschwindigkeit und großem Zündbereich entsteht. Gas und Luft werden brennreif, d. h. zweckmäßig dosiert und gründlich gemischt, der Verbrennungskraftmaschine zugeführt. Es können beispielsweise folgende Stoffe vergast werden: 70 bis g6°/@ger Äthylalkohol, Äthylalkohol-Glycerin-Gemische, Methylalkohol, Methylalkohol-Äthylalkohol-Gemische u. dgl.
• Man hat früher bereits versucht, flüssige, hochsiedende Kohlenwasserstoffe, wie Schweröle, durch Vergasen für die motorische Verbrennung vorzubereiten. Die Öle wurden zu diesem Zweck teilweise mit Luft verbrannt, um die thermische Voraussetzung für die Spaltung des Öles und für seine Umwandlung in Brenngas zu schaffen. Das Öl wurde beispielsweise mit stark vorgewärmter Luft zerstäubt und mit dieser Luft in einer Vergasungskammer, oft katalytisch begünstigt, teilverbrannt. Die durch diese Teilverbrennung erzielten Temperaturen der Spaltkammer lagen zwischen Zoo und iioo° C und reichten für die beabsichtigte Spaltung des Öles sowie für dessen Vergasung aus. Der Luftzusatz betrug 2,25 1 je i g 01.
• Es ist bekannt, daß man auf diese Weise bestenfalls ein ölkarburiertes Luftgas erhält. Außerdem sind die Vergasungsverluste, die durch die Abspaltung von Kohlenstoff und Olteer zwangsläufig entstehen, verhältnismäßig hoch. Es wurde nun versucht, die Vergasungsverluste dadurch heräbzudrücken, daß man die Teilverbrennungsluft mit Wasserdampf sättigte oder auch neben Luft Wasser eindüste oder Wasserdampf einblies. Man wollte so die Reaktion des bei der Spaltung frei werdenden Kohlenstoffes mit Wasser zu Wassergas begünstigen. Dabei will man einerseits auf mechanisch beigemengtes Wasser in Nebel- oder in Dampfform nicht verzichten, andererseits meint oft der gleiche Erfinder, die Verwendung von Wasserdampf sei nicht unbedingt erforderlich, könne ganz weggelassen,werden oder, wenn die für die Teilverbrennung notwendige Zerstäubungsluft auf Temperaturen oberhalb 500°C, beispielsweise durch Wärmeaustausch, vorgewärmt wird, auf einen geringen Bruchteil der sonst üblichen Menge eingeschränkt werden. Es war naheliegend, diese innere Heizung, die immer zu einem Gas mit mehr oder weniger hohem Gehalt an Inerten und mit verhältnismäßig geringem Heizwert führt, durch die Außenbeheizung des Gaserzeugers zu ersetzen und die unerwünschten Spaltrückstände durch die Wassergasreaktion mit Hilfe von eingedüstem Wasser oder von Wasserdampf zu beseitigen. Solche Vorschläge gehen teilweise bis zum Ende des vorigen Jahrhunderts zurück und tauchen in neuerer Zeit unter Benutzung moderner Vorrichtungen wieder auf. In keinem Falle konnte die anzustrebende und erfindungsgemäß ermöglichte organische Vereinigung einer Gaserzeugervorrichtung mit einer Verbrennungskraftmaschine erreicht werden, da die bekannten Gas-, erzeuger und die meistens damit verbundenen Dampfentwickler zu schwer und zu umfangreich und im Betrieb zu reaktionsträge waren.
• Schon die Bedingung, ein Gas mit einem Heizwert von mehr als 140o kcal Nm3 zu erzeugen, schließt die Primärverbrennung des Kraftstoffes, beispielsweise durch Vergasen mit Luft in einem Schwachgasgenerator üblicher Bauart, aus und setzt Reaktionen voraus, die jenseits der Neutrokalore des Wa Ostwaldschen Vergasungsdreiecks im endothermen Gebiet liegen und daher nur durch Außenbeheizung zu realisieren sind. Die Leistungsgewichte der bisher üblichen ortsbeweglichen Generatoren bzw. Gaserzeuger liegen im allgemeinen über 5 kgiPs, also weit über dem Leistungsgewicht, das als ein Ziel für die Einrichtung nach der Erfindung anzusehen ist. Außerdem liegen die Heizwerte wesentlich unter 25oo, kgjkcal/Nm3, der als unterer Grenzheizwert zu gelten hat. Selbst wenn man berücksichtigt, daß die sogenannten Olgaserzeuger mit Außenbeheizung, also mit den verlangten endothermen Gasreaktionen, Brenngase mit dem gewünschten unteren Heizwert liefern, so entsprechen sie dennoch nicht den erfindungsgemäßen Anforderungen an einen Gaserzeuger. Ihr Leistungsgewicht liegt selbst in den günstigsten Fällen wesentlich über 2 kg/PS. Sie sind reaktionsträge und arbeiten mit einem Vergasungswirkungsgrad um 65°;a. Das geringe Leistungsgewicht eines Gaserzeugers für die Einrichtung nach der Erfindung wird durch Gasraumbelastungen erreicht, die zwischen 2 bis 3 # ios kcal 'm3;'h liegen. Diese Gasraumbelastungen werden durch die erfindungsgemäß erreichbaren hohen Wärmeübergänge sowohl im Verdampfer als auch im Spaltrohr ermöglicht, die ihre Voraussetzungen wiederum in den hohen Reaktionsgeschwindigkeiten haben, die im Mittel bei 5o m/sec liegen. Zum Vergleich mag darauf hingewiesen werden, daß die bisher bekannten Gasraumbelastungen selbst bei stationären Höchstleistungsgeneratoren, die mit sauerstoffangereicherter Luft betrieben werden, nicht wesentlich über o,75. ioe kcal/m3/h liegen, während sich die Gasgeschwindigkeiten im Mittel um etwa 5 m/sec bewegen. Gemäß der Erfindung liegt ein Verdampferrohr im Gaserzeuger zentrisch in einem runden bzw. annähernd kreisrunden Vergasungsraum. Die zu vergasenden Stoffe werden mit hoher Geschwindigkeit in das Verdampferrohr eingedüst, wobei unerwünschte Spaltvorgänge nicht auftreten können, weil die erforderliche Verdampfungswärme ausschließlich durch Konvektion, unterstützt durch starke Wirbelung, zugeführt wird. Die verdampften Stoffe treten an der Umkehrstelle des Verdampferrohres mit hoher Geschwindigkeit aus und werden mit starken Wirbeln durch den Strahlungsraum des Spaltrohres geführt. Da die Zufuhr der Vergasungswärme ausschließlich durch Strahlung erfolgt, ist die gewollte leichte Anpassungsmöglichkeit des Gaserzeugers z. B. an den Betrieb der Brennkraftmaschine ohne weiteres gegeben, weil die Wärmeübertragung durch Strahlung schneller beeinflußt werden kann als die durch Konvektion. Damit werden hohe Vergasungsleistungen ohne störende Spaltreaktionen und ohne unerwünschte Rückstandsbildung erzielt. Ordnet man zudem im Spaltraum noch eine katalytisch wirkende Sperrschicht an, so wird ein hoher Vergasungswirkungsgrad auch bei stoßweise schwankenden Belastungen gesichert. Die Sperrschicht kann unter Umständen ganz fortfallen, beispielsweise dann, wenn mit Stoßbelastungen in nennenswertem Umfang nicht gerechnet zu werden braucht. Das Verdampferrohr ist an der Eintrittsstelle der Vergasungsmittel mit einer regelbaren injektorartig wirkenden Vorrichtung versehen, die es gestattet, eine einstellbare Menge Reaktionsgas beliebig oft umzuwälzen und so Menge und Heizwert oder andere gewünschte Eigenschaften des Endgases willkürlich zu beeinflussen. Die Kraftstoffaufgabe kann beispielsweise durch dieBeeinflussung einesÜberströmventils oder durch die Verstellung der Nockenwelle der zur Förderung des Brennstoffes benutzten Pumpe mittels eines Fußpedals beeinflußt werden.
• Zweckmäßig wird die fühlbare Wärme des Brenn-bzw. Kraftgases und gegebenenfalls auch die des Heizabgases zur zusätzlichen Sicherung der durch Außenbeheizung aufrechtzuerhaltenden Vergasungstemperatur rekuperativ zurückgewonnen. Weiter ist es vorteilhaft, die optimale Reaktionstemperatur des Vergasungsraumes durch einen Thermofühler, der zweckmäßig an oder in der Nähe des Gasaustrittsstutzens angeordnet ist und der ein Drosselorgan in der Gasleitung für die Außenbeheizung des Gaserzeugers steuert, auf konstanter Höhe zu halten. In Abhängigkeit von Reaktionsraumbelastung und damit von der je nachdem zu- oder abnehmenden Reaktionstemperatur schließt oder öffnet das Drosselorgan die Leitung zum Brenner für die Außenbeheizung. Die Abgase der Außenbeheizung können bei Motorenbetrieb durch einen injektorartig ausgebildeten Auspufftopf der Verbrennungskraftmaschine abgesaugt werden. Damit erreicht man eine zwangsläufige Abführung der Abgase in Abhängigkeit von der Gaserzeugerbelastung und eine Unterstützung der Heizgasregulierung durch den Thermofühler. Als zweckmäßig hat sich herausgestellt, das den Vergasungsraum bildende Vergaserrohr auf pulvermetallurgischem Wege, z. B. aus Wolframkarbiden, herzustellen.
• Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der Zeichnung, die als Beispiel in Fig. i eine Einrichtung zum Einbau in ein Kraftfahrzeug nach der Erfindung im Längsschnitt in schematischer Form und in Fig. 2 den Gaserzeuger der Fig. i in größerem Maßstab zeigt.
• Gemäß Fig. i fördert die Pumpe i den flüssigen Brennstoff nach dem Gaserzeuger 2, in den er mittels der Düse 3 durch das injektorartig wirkende Verdampfeirohr 4 eingestäubt wird. Nach erfolgter Umsetzung im von außen beheizten Vergasungsrohr 5 verläßt das Kraftgas den Gaserzeuger und gibt seine Wärme im Wärmeaustauscher 6 an die Verbrennungsluft ab. In dem in den Weg des fertigen Gases eingeschalteten Abscheider 7 sammelt sich etwa anfallendes Kondensat an, das der Verbrennungsluft bei 8 zugeführt wird und dort verdampft. Ein Teil des Reaktionsgases wird abgezweigt und dem Gasbrenner 9 zugeführt. Die Regelung der Pumpe erfolgt durch das Pedal io, während die Drosselung der Heizgasmenge für die Außenbeheizung des Vergasungsraumes 5 durch den Thermofühler ii über das Drosselventil 12 erfolgt. Durch Verstellen der Düse 3 in ihrer Längsachse bei 13 läßt sich die Menge des umlaufenden Fertiggases und damit der Heizwert des Gases einstellen. Die Verbrennungsluft für die Außenbeheizung wird vom Wärmeaustauscher 6 durch den als Rekuperator 14 ausgebildeten Mantel des Gaserzeugers dem Brenner 9 zugeführt; Abgase und Reaktionsgas werden dabei weitgehend abgekühlt. Die Abgase verlassen den Gaserzeuger bei 15 und werden dem Auspufftopf zugeleitet. Die Motorabgase saugen bei 16 mittels eines Injektors die Abgase der Außenbeheizung an. Der Gaserzeuger selbst, der als echter Vergaser zu gelten hat, ist in Fig. 2 in größerem Maßstab dargestellt. Der zu vergasende Brennstoff gelangt in die Düse 3, die an dem Ende des längs beweglichen Rohres 17 befestigt ist, wird von ihr vernebelt und gelangt über das injektorartig wirkende Verdampferrohr 4 in das am unteren Ende geschlossene Reaktionsrohr 5. Das Verdampferrohr 4 ist an seinem der Düse zugewandten Ende venturirohrartig ausgebildet und bildet mit der Düse 3 eine Ringschlitzdüse. Das im Reaktionsrohr 5 entstehende Reaktionsgas wird bei 18 abgeleitet. Da die Düse 3 verstellbar ist, läßt sich erreichen, daß die durch das eingespritzte Vergasungsmittel wieder mitgenommene Gasmenge in weiten Grenzen beliebig geändert werden kann und daß ein heizwertarmes oder -reiches Reaktionsgas erzielt wird. Die erforderliche Reaktionswärme wird durch den Brenner 9 erzeugt, dem das Heizgas durch die Leitung i9 zugeführt wird. Die erforderliche Verbrennungsluft tritt bei 2o ein und strömt durch den Rekuperator 14 dem Brenner 9 zu. Die Brennerabgase treten bei 21 in den Rekuperator ein, streichen durch die Züge 22 und treten bei 15 aus. Das Anheizen des Gaserzeugers kann durch elektrische Heizung oder mit Hilfe einer Lötlampe bei 23 erfolgen. Das Verdampferrohr 4 ist bei 24 mit einer katalytisch wirkenden Sperrschicht umgeben, die den vom Verdampfer- und Vergaserrohr gebildeten Zwischenraum in passender Höhe ausfüllt. Das Verdampferrohr 5 ist mit Zwischenraum von dem feuerfesten Körper 25 umgeben, der seinerseits mit dem Rekuperator 14 ummantelt ist.
• Am Wesen der Erfindung wird nichts geändert, wenn das von dem Gaserzeuger gelieferte Gas noch zu anderen Zwecken als der motorischen Verbrennung verwendet wird oder wenn dem Gaserzeuger wasserdampfhaltige Reichgase, z. B. Erdgas, Spaltgas oder sog. Flüssiggase, aus der Erdgas- bzw.Koksofengaszerlegung u. dgl. zugeführt werden.

Claims (12)

1. YATI:NTANSYPuCHE: i. Einrichtung zum Vergasen von flüssigen bzw. flüssigkeitsähnlichen wasserhaltigen Brennstoffen sowie von wasserdampfhaltigen Reichgasen, z. B. durch Teiloxydation in Gaserzeugern und Restverbrennung in Brennkraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaserzeuger im wesentlichen aus einem Verdampfungsraum (4) und einem Vergasungsraum (g) besteht, wobei der Verdampfungsraum (4) zentrisch im Vergasungsraum (5) liegt, daß der Vergasungsraum von außen beheizt ist und daß Verdampfungsraum und Vergasungsraum so miteinander verbunden sind, da.ß die Verdampfung bzw. die Vorvergasung des Brennstoffes im wesentlichen durch Konvektionswärme, die Spaltung bzw. die Vergasung dagegen durch Strahlungswärme herbeigeführt wird.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß'im Vergasungsraum des Gaserzeugers eine katalytisch wirkende Schicht angeordnet ist.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, da.ß die Höhe des Vergasungsraumes des Gaserzeugers mit rundem oder annähernd rundem Querschnitt das Mehrfache, mindestens aber das Dreifache des Durchmessers beträgt.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum regelbaren Umlauf des Reaktionsgases vorgesehen sind.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch i bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaserzeuger und eine Brennkraftmaschine in der Weise zu einer organischen bzw. betrieblichen Einheit verbunden sind, daß das Leistungsgewicht des Gaserzeugers nicht wesentlich über o,5 kg/Ps bzw. 0,15 kg/iooo kcal/h liegt. ' 6.
6. Einrichtung nach Anspruch i bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung des Reaktionsgasumlaufes eine in ihrer Längsachse verschiebbare Düse (3) vorgesehen ist, die mit dem Kopf des Verdampfungsraumes (4) einen Ringschlitz bildet, der durch Nähern oder Entfernen der Düse (3) verkleinert oder vergrößert werden kann, wobei die Düse der Zuleitung für das Vergasungsmittel dient.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopf des Verdampfungsraumes venturirohrartig ausgebildet ist. B.
8. Einrichtung nach Anspruch i bis 7, gekennzeichnet durch einen die Außenbeheizung des Gaserzeugers regelnden Thermofühler, der seinen Impuls von der Temperatur des Reaktionsgases erhält. g.
9. Einrichtung nach Anspruch i bis 8, gekennzeichnet durch die Einschaltung eines Kondensators (7) in den Weg des Reaktionsgases, wobei die etwaigen Kondensate zwangsläufig der Verbrennungsluft für die Außenbeheizung zugeführt werden können. io.
10. Einrichtung nach Anspruch i bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsgas und gegebenenfalls das Abgas der Außenbeheizung ihre fühlbare Wärme ganz oder teilweise an die Verbrennungsluft der Außenbeheizung abgeben. ii.
11. Einrichtung nach Anspruch i bis io, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel des Gaserzeugers als Rekuperator für die Vorwärmung der Verbrennungsluft für die Außenbeheizung ausgebildet ist.
12. 12. Einrichtung nach Anspruch i bis ii, dadurch gekennzeichnet, daß das Vergaserrohr (5) auf pulvermetallurgischem Wege hergestellt ist.