Die Verbrennung von flüssigem Brennstoff, wie flüssige Kohlenwasserstoffe, stellt ein übliches Verfahren zur Energieund/oder Wärmeerzeugung dar. Die Verbrennung kann in einer Anordnung stattfinden, in der die Wärme an ein anderes Medium, wie Wasser übertragen wird, wobei das Wasser siedet oder nicht; oder der Brennstoff kann in verschiedenen Arten von Brennkraftmaschinen verbrannt werden, die beispielsweise nach dem Otto-, Diesel- oder einem anderen Prozess arbeiten.
Die Sauerstoffmenge, im allgemeinen Luft, reicht zumindest theoretisch ungefähr für eine vollständige Verbrennung des Brennstoffs aus.
Es haben sich allerdings beträchtliche Schwierigkeiten eingestellt. Wenn ein sehr grosser Überschuss an Sauerstoff vorhanden ist, nimmt der Wirkungsgrad des Verbrennungsvorgangs ab, da eine beträchtliche Luftmenge, einschliesslich inerten Stickstoffes erhitzt werden muss. Bei Brennkraftmaschinen, die mit einem sehr grossen Überschuss an Sauerstoff arbeiten, kann sich eine langsame Verbrennung ergeben, bei der die Auslassventile überhitzt und ausgebrannt werden können. Wenn bei der Verbrennung die Sauerstoff- und Brennstoffmengen sich etwa im Gleichgewicht befinden, wenn beispielsweise nur ein geringer Überschuss an Sauerstoff vorhanden ist, stellen sich Schwierigkeiten aufgrund einer unvollständigen Verbrennung ein.
Dies kann zu sehr grossen Mengen Kohlenmonoxyd und/oder unvollständig verbranntem Brennstoff führen, was an unverbrannten Kohlenwasserstoffen, Russ und ähnlichem zu erkennen ist. Eine unvollständige Verbrennung mindert ebenfalls den Verbrennungswirkungsgrad und kann die Einrichtung verunreinigen. Bei Brennkraft maschinen führen unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Kohlen monoxyde und Stickstoffoxyde der allgemeinen Formel NOx zu einer ernstzunehmenden Verschmutzung der Luft, was wiederum zu einer Zunahme des photochemischen Smogs und ähnlichem führt. Eine Verunreinigung durch Stickstoffoxyde ergibt sich bei einer Brennkraftmaschine im allgemeinen dann, wenn die Verbrennungstemperatur hoch ist.
Es wurde daher bereits vorgeschlagen, Wasser in einen
Brenner einzuleiten oder Wasser in eine im Betrieb befindliche
Brennkraftmaschine einzuspritzen. Dies wurde gemacht, um den unvollständig verbrannten Brennstoff, der sich in Form von
Kohlenstoff absetzt, etwas zu vermindern; bei Brennkraft maschinen kann die Stickstoffoxyderzeugung etwas gesenkt und in bestimmten Fällen, beispielsweise bei Flugzeugkolben motoren, kann kurze Zeit bei höherer Leistung mit sehr fetten
Mischungen gearbeitet werden, was sonst zu einem Ausbren nen der Maschine führen würde. Das Einspritzen von Wasser hat jedoch schwerwiegende Nachteile. Vor allem ist es sehr schwierig, die entsprechenden Wasser- und Brennstoffmengen genau zu steuern.
Selbst wenn die Steuerung in ausreichendem
Masse durchgeführt wird, nimmt der Wirkungsgrad doch ab, da das Wasser mit einer äusserst hohen Verdampfungswärme verdampft wird und bei der Verbrennung erhitzt werden muss, wozu wegen der hohen spezifischen Wärme des Wasserdampfs weitere Energie erforderlich ist. Das Einspritzen des Wasser ist daher praktisch nur in seltenen Fällen angewandt worden.
Die Erfindung betrifft nun ein Verfahren zum Verbrennen eines flüssigen Brennstoffes in einem Brenner in Gegenwart von Wasser, wobei der flüssige Brennstoff und das Wasser zur Erzeugung einer Wasser-Öl-Emulsion mit ungefähr 10% Wasser bis ungefähr 50% Wasser durch Hindurchleiten durch eine Beschallungszone emulgiert werden und die Emulsion noch in Emulsionsform verbrannt wird. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Beschallung mittels eines Schallgenerators und eines damit verbundenen akustischen Übertragers in Form eines stabförmigen Körpers erfolgt, dessen Querschnitt an dem mit dem Schallgenerator verbundenen Ende grösser ist als an dem auf die Flüssigkeit einwirkenden Teil.
Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist einen Schallgenerator und einen mit diesem verbundenen akustischen Übertrager auf rund ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass der dem Schallgenerator abgekehrte Abschnitt des akustischen Übertragers in einem Gehäuse angeordnet ist, das diesen Abschnitt des Übertragers unter Bildung eines ringförmigen Spaltes umgibt. Vorzugsweise ist der akustische Übertrager derart ausgebildet, dass sein auf die Flüssigkeit einwirkender Teil und das Gehäuse einen engen Spalt bilden.
Durch die Formgebung des akustischen Übertragers mit seinem gegenüber dem Befestigungsende kleineren Querschnitt an seinem auf die Flüssigkeit einwirkenden Teil erzielt man eine erhöhte Energiedichte und somit eine höhere Bewegungsgeschwindigkeit und erhöhte Vermischungsintensität.
Dadurch wird eine äusserst fein dispergierte Emulsion erzeugt; und es ist die feine, bisher nicht erreichte Dispersion, die zu den beachtlichen neuen Ergebnissen führt, die unten aufgeführt sind.
Wenn gemäss dem Verfahren nach der Erfindung eine Wasser-tSl-Emulsion verbrannt wird, die etwa 10% bis ungefähr 50% Wasser enthält, ergibt sich eine äusserst saubere Verbrennung, und die Verschmutzung und Verunreinigung werden auf ein Minimum herabgsetzt; bei einem unmittelbar mit der Atmosphäre in Verbindung stehenden Brenner führen bis zu 30% Wasser zu Ergebnissen, bei denen die durch die Verbrennung erhaltene Wärme im wesentlichen dieselbe ist, wie wenn der ganze Kohlenwasserstoff-Brennstoff verbrannt wurde. Mit anderen Worten, bei 70% Brennstoff und 30% Wasser erzeugt die Emulsion dieselbe Wärmemenge.
Dieses überraschende Ergebnis ist wiederholt überprüft worden; obwohl die vorliegende Erfindung nicht auf eine bestimmte Theorie beschränkt werden soll, scheint es wahrscheinlich, dass die Verbrennung der Emulsion erheblich vollständiger ist, so dass die geringere Brennstoffmenge vollständig verbrannt wird und dieselbe Endwärme erreicht wird, wie in den Fällen, wo kein Wasser vorhanden ist. Die vorerwähnten Angaben sind im Hinblick auf eine Anordnung gemacht worden, bei der die Oberflächen, welche erwärmt sind, auf einer so ausreichend hohen Temperatur liegen, dass der Wasserdampf nicht kondensieren kann. Mit anderen Worten, das neue Ergebnis beruht nicht zu einem Teil auf der Kondensation von Wasserdampf an kühleren Flächen.
Bei einer Brennkraftmaschine sind die Flächen nicht nur heiss, sondern die Auspuffgase verlassen den Zylinder mit einer Temperatur, die weit über dem Konden sationspunkt von Wasserdampf liegt.
Obwohl bei der Anwendung der vorliegenden Erfindung auf Brennkraftmaschinen die Gesamtenergiemenge genauso gross oder unter Umständen sogar grösser sein kann, ist die höchste Flammentemperatur im allgemeinen niedriger; es scheint wahrscheinlich, dass die verminderte Ausströmung von Stickstoffoxyden hauptsächlich auf diesem Faktor beruht. Auch kann der Wasserdampf, der verglichen mit den Kohlendioxyden in grösseren Mengen vorhanden ist, hierfür ebenfalls eine ursächliche Rolle spielen.
Die Erfindung ist auch nicht auf einen bestimmten Zeitpunkt bei dem gesamten Verbrennungsvorgang beschränkt, wann die Wasser-Öl-Emulsion (tatsächlich) erzeugt wird. Dies kann zu dem Zeitpunkt erfolgen, wo die Zerstäubung gerade vorher stattfindet, oder zum Zündzeitpunkt. Dies ist aber nicht notwendig, die Emulsion kann auch in einem vorher gebildeten Zustand zu der Brennerdüse befördert werden. Insbesondere bei den bevorzugten, durch Schallmischung erzeugten Emulsionen ist die Emulsion sehr stabil und kann daher an einer von dem Brenner weit entfemt liegenden Stelle hergestellt werden; eine solche Abwandlung ist von der Erfindung natürlich ebenfalls mitumfasst.
Auch ist eine Emulsion möglich, die durch fliessendes Wasser und Öl über dem Emulgierungspunkt, vorzugsweise am Ende des akustischen Übertragers, derart gebildet ist, dass die Emulsion an derselben Stelle oder praktisch an derselben Stelle gebildet wird, wo die Zerstäubung in der Flamme stattfindet. Insbesondere bei Brennkraftmaschinen ist es beinahe immer vorzuziehen, den Wasser- und Brennstoffstrom gerade vor dem Zerstäubungspunkt zusammenzubringen. Natürlich ist es auch möglich, eine bereits gebildete Emulsion dem Schallzerstäuber zuzuführen; dies erfordert aber einen gesonderten Verfahrensschritt, und die Ergebnisse sind nicht wesentlich besser.
Insbesondere bei einer Schallzerstäubung für eine Verbrennung oder sogar noch mehr bei Brennkraftmaschinen wird daher im allgemeinen die Emulsion verwendet, die zu dem Zeitpunkt oder als Teil der Zerstäubung von der Zerstäubungsvorrichtung gebildet ist.
Bei der Emulgierung brauchen keine Emulgierungsmittel verwendet zu werden, insbesondere wenn eine Emulgierung mittels Schall benutzt wird. Hierdurch ist ein zusätzlicher Verfahrensschritt eingespart und dadurch sind die Emulgierungskosten vermindert, obwohl bei der vorliegenden Erfindung eine Emulsion nicht ausgeschlossen ist, die in Gegenwart einer geringen Menge eines Emulgierungsmittels, beispielsweise einer geringen Menge, im allgemeinen einem Bruchteil eines Prozents, eines Dialkylsulfosuccinats oder eines anderen allgemein bekannten Emulgierungsmittels hergestellt worden ist, das die Bildung von Wasser-)l-Emulsionen erleichtern kann. Für diesen Fall, der im allgemeinen nicht bevorzugt wird, kann irgend ein bekanntes Emulgierungsmittel verwendet werden.
Gewöhnlich ergeben sich grössere Schwierigkeiten bei der Verbrennung von schwerem Rückstandsöl, wo häufig eine Erhitzung mittels Dampf erforderlich ist. Jedoch emulgiert Schweröl leichter als Leichtöl; wenn es mit einer beträchtlichen Wassermenge emulgiert wird, ist die Viskosität niedrig genug, so dass es ohne Vorerwärmung verbrannt werden kann. Dies ist ein zusätzlicher Vorteil bei der Verwendung von schweren Ölen. Warum das Schweröl leichter und bei einer niedrigeren Viskosität emulgiert, ist noch nicht mit letzter Sicherheit festgestellt worden. Es ist möglich, dass das Schweröl Verunreinigungen enthält, die die Emulgierung unterstützen und in reineren, leichteren Heizölen nicht vorhanden sind.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 in schaubildlicher Darstellung einen Schallemulgator und einen Brenner;
Fig. 2 in etwas grösserem Massstab und teilweise im Schnitt Einzelheiten des Emulgators;
Fig. 3 eine halb-schaubildliche Darstellung eines kombinier ten Schallzerstäubers und eines Emulgators, wie sie insbesondere bei Brennkraftmaschinen verwendet werden;
Fig. 4 eine Darstellung einer Emulgator- und Brennereinheit, insbesondere für grössere Einheiten; und, in grossem Massstab,
Fig. 5 eine Vorderansicht der vergrösserten Platte am freien Ende des akustischen Übertragers.
In Fig. 1 ist ein Schallgenerator 1 dargestellt, der einen akustischen Übertrager 2 in Form eines stabförmigen Körpers mit Schallenergie speist. Das Ende 9 (Fig. 2) des akustischen Übertragers erstreckt sich durch eine elastisch nachgiebige Dichtung 4, die genau am Knotenpunkt des Übertragers angeordnet ist, in eine Kammer 3 hinein. Brennstoff, beispielsweise Haushaltsheizöl, wird über eine Leitung 5 zugeführt und vereinigt sich mit einem über eine Leitung 7 zugeführten Wasserstrom in einem betriebssicheren, durch den Brennstoffdruck geöffneten Ventil 18. Diese beiden Ströme treffen auf das schwingende Ende 9 des Übertragers, wie am besten in Fig. 2 zu erkennen ist, wo ein Teil der Kammer 3 im Schnitt dargestellt ist.
Die starke Schallmischung emulgiert die zwei Ströme, die dann die Kammer in axialer Richtung durch einen Auslasskanal 6 in einer Platte 22 verlassen, die nahe an dem schwingenden Ende 9 des akustischen Übertragers angeordnet ist. Von dem Auslasskanal 6 strömt die Emulsion in eine nicht dargestellte Brennkammer eines herkömmlichen Brenners 8.
Luft wird an der Stelle 20 dem Brenner 8 zugeführt, und es ergibt sich eine Flamme. 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.
Der akustische Übertrager 2 weist einen herkömmlichen Aufbau aus einem Stapel nicht dargestellter piezoelektrischer Platten auf, die über ein Kabel 12 von einem ebenfalls nicht dargestellten, geeigneten Hochfrequenzoszillator erregt werden, der beispielweise bei einer Frequenz von ungefähr 20 000 Hz arbeitet. Die Abschlussplatte 10 am Ende 9 des Übertragers kann eine flache Platte sein oder auch mit einer geeigneten Schallwand, beispielsweise mit einer spiralförmigen Schallwand versehen sein, um die Verweildauer in dem starken Schallfeld zu verlängern. Der Aufbau des Schallemulgators hat im einzelnen nichts mit der vorliegenden Erfindung zu tun; in der Zeichnung ist lediglich eine typische Ausführungsform dargestellt.
In den Fig. 4 und 5 ist eine Emulgator-Brennereinheit für Feuerungsanlagen dargestellt. Dieselben Elemente sind mit denselben Bezugszeichen wie in den Fig. 1 bis 3 bezeichnet.
Das Ende des akustischen Übertragers weist die allgemeine in Fig. 3 dargestellte Form auf, die im einzelnen weiter hinten beschrieben wird; die Teile tragen dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 3. In Fig. 4 ist ein äusseres Gehäuse 17 dargestellt, durch welches Luft mittels eines Gebläses 21 geblasen wird. Diese Luft strömt über den Schallgenerator 2, kühlt ihn, was bei einem grossen Brenner erforderlich ist, und strömt schliesslich über das Ende eines inneren Gehäuses 15. Brennstoff und Wasser gelangen über die Leitung 5 und 7 in einen ringförmigen Raum zwischen dem inneren Gehäuse 15 und dem Übertrager 2. Letzterer ist mit einer Abschlussplatte 10 versehen, die eine Reihe von kleinen ringförmigen Vertiefungen 11 je mit einem mittig angeordneten Vorsprung 23 aufweist, der in dem Ring ausgebildet ist. Dies ist in Fig. 5 dargestellt.
Der Zwischenraum zwischen dem Ende des Gehäuses 15 und der Platte 10 ist ziemlich eng und in Fig. 4 der Deutlichkeit halber etwas übertrieben gross dargestellt. Ein Brennstoff-Wasserfilm fliesst über die Platte 10, wo er emulgiert, zerstäubt und unter Bildung einer Flamme senkrecht dazu eine gewisse Strecke weggeschleudert wird, wie bei 19 in Fig. 4 dargestellt ist.
In einem Kessel wurden zur Feststellung der Verbrennungsresultate die Zeiten gemessen, die es braucht, um das Wasser in der Kesselverkleidung von einer bestimmten Temperatur auf eine Temperatur gerade unter seinem Siedepunkt zu bringen.
Aus den in der nachfolgenden Tabelle angegebenen Werten für die Zeit lässt sich jeweils die Heizleistung ermitteln. Die Tabelle zeigt die Messergebnisse von acht Versuchen, bei den Versuchen 1 bis 5 ist unvermischtes Haushaltsheizöl und bei den Versuchen 6 bis 8 eine Mischung aus 70% Öl und 30% Wasser verwendet worden.
Temperatur (1) Temperatur (2) Zeit Material 1. 1500 192" Öl 2. 1500 194" 4-13" Öl 3.150 194" 4-14" Öl 4.146 192" 4-6" Öl 5.144" 194" 3-40" Öl 6.146 194" 3-30" 600 Öl
325 Wasser 7.1440 192" 4-20" 850Öl
200 Wasser 8.144 196 4-16" 800Öl
250 Wasser
Die Kesseloberflächen wurden bei den Versuchen sorgfältig untersucht und waren sauber.
Es wurde eine Flamme erzeugt, die weisser war; es strömte kein sichtbarer Rauch aus dem Kamin, und eine Abgasanalyse ergab eine vollständigere und vollkommenere Verbrennung.
In Fig. 3 ist eine Abwandlung des Schallzerstäubers, insbesondere für Brennkraftmaschinen, dargestellt. Der akustische Übertrager ist mit denselben Bezugszeichen bezeichnet wie in den Fig. 1 und 2, aber, wie in den Fig. 4 und 5 ist die Form des Endes des Übertragers etwas verschieden; dieses Ende ist in eine Platte 10 ausgeweitet. Die Platte 10 weist nur glatte Flächen und keine ringförmigen Vertiefungen wie in Fig. 5 auf. Benzin wird über die Leitung 14 in einen ringförmigen Raum zwischen dem akustischen Übertrager und einem Gehäuse 15 und Wasser über eine Leitung 13 zugeführt.
Die beiden Flüssigkeiten fliessen nach unten, bis sie auf die Kante der ausgeweiteten Platte 10 treffen, wo sie entlang der Plattenoberfläche weiterströmen, zerstäubt und gleichzeitig emulgiert werden. Luft wird der zerstäubten Emulsion über einen ringförmigen Kanal 16 zugeführt; die sich ergebende Mischung wird dann in die Verteilerleitung einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine eingespeist.
Die Platte 10 steht über das Gehäuse 15 hinaus vor; der Zwischenraum zwischen dem Gehäuse und dem akustischen Übertrager ist in Fig. 3 übertrieben gross dargestellt; die starke Schallmischung der Platte schleudert eine fein verteilte Emulsion von den oberen Flächen des Vorsprungs hoch. Da die Ausführungsform in Fig. 3 für einen Anschluss an eine Verteilerleitung einer Brennkraftmaschine ausgelegt ist, ist im allgemeinen ein gewisses Vakuum vorhanden; dies bewirkt, dass die Emulsion um die Kante der Platte 10 herumgerissen wird, wie durch Pfeile dargestellt ist.
Es findet eine sorgfältige Mischung der Luft statt, es ist aber nicht notwendig, dass die Emulsion von der Schallschwingung in das Verteilerrohr geschleudert wird, während es bei dem in Fig. 4 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 Richtung geschleudert wird; denn bei einem normalen Brenner ist natürlich kein Vakuum vorhanden, wie es in einer Verteilerleitung einer Brennkraftmaschine existiert.
In den Fig. 3 und 4 sind verschiedene Ausführungsformen von akustischen Übertragern und Emulsionsbildungsplatten dargestellt; die Erfindung ist aber nicht auf die genau dargestellten Formen und auch nicht auf die flache, in Fig. 2 dargestellte Abschlussplatte 10 beschränkt. Es sind einfach Darstellungen typischer Ausführungsformen, auf deren Einzelheiten die Erfindung aber nicht beschränkt ist. Die 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, Kohlenmonoxyde stark und Stickstoffoxyde noch mehr reduziert. Die folgenden Zahlenangaben geben die Konzentrationen der Verunreinigungsstoffe an; die Maschine lief unter Last mit ungefähr 5 000 UpM.
Die Konzentrationen der Verunreinigungsstoffe liegen weit unter den gegenwärtigen Abgasnormwerten und genügen sogar noch strengeren, für spätere Jahre vorgeschlagenen Normwerten. Die Werte betragen: Kohlenmonoxyde 0,94%, unverbrannte Kohlenwasserstoffe 0,0 und Stickstoffoxyde 11,35 ppm.
PATENTANSPRUCH I
Verfahren zum Verbrennen eines flüssigen Brennstoffes in einem Brenner in Gegenwart von Wasser, wobei der flüssige Brennstoff und das Wasser zur Erzeugung einer Wasser-Öl Emulsion mit ungefähr 10% Wasser bis ungefähr 50% Wasser durch Hindurchleiten durch eine Beschallungszone emulgiert werden und die Emulsion noch in Emulsionsform verbrannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschallung mittels eines Schallgenerators (1) und eines damit verbundenen akustischen Übertragers (2) in Form eines stabförmigen Körpers erfolgt, dessen Querschnitt an dem mit dem Schallgenerator verbundenen Ende grösser ist als an dem auf die
Flüssigkeit einwirkenden Teil (10).
UNTERANSPRÜCHE
1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozentsatz an Wasser ungefähr 10 bis ungefähr 30% beträgt.
2. Verfahren nach Patentanspruch I und Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Emulsion an dem Brenner gebildet und Verbrennungsluft mit der Emulsion zugeführt wird.
PATENTANSPRUCH II
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch I, mit einem Schallgenerator und einem mit diesem verbundenen akustischen Übertrager, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Schallgenerator (1) abgekehrte Abschnitt des akustischen Übertragers (2) in einem Gehäuse (3,
15) angeordnet ist, das diesen Abschnitt des Übertragers unter Bildung eines ringförmigen Spaltes umgibt.
Combustion of liquid fuel, such as liquid hydrocarbons, is a common method of generating energy and / or heat. Combustion can take place in an arrangement in which the heat is transferred to another medium, such as water, with the water boiling or not; or the fuel can be burned in various types of internal combustion engines that operate, for example, according to the Otto, diesel or other process.
The amount of oxygen, generally air, is at least theoretically approximately sufficient for complete combustion of the fuel.
However, considerable difficulties have arisen. If there is a very large excess of oxygen, the efficiency of the combustion process will decrease because a considerable amount of air, including inert nitrogen, must be heated. In the case of internal combustion engines that work with a very large excess of oxygen, slow combustion can result, in which the exhaust valves can be overheated and burned out. If the amounts of oxygen and fuel are approximately in equilibrium during combustion, for example if there is only a small excess of oxygen, difficulties arise due to incomplete combustion.
This can lead to very large amounts of carbon monoxide and / or incompletely burned fuel, which can be recognized by unburned hydrocarbons, soot and the like. Incomplete combustion also reduces combustion efficiency and can contaminate the equipment. In internal combustion engines, unburned hydrocarbons, carbon monoxides and nitrogen oxides of the general formula NOx lead to serious pollution of the air, which in turn leads to an increase in photochemical smog and the like. Nitrogen oxide pollution generally occurs in an internal combustion engine when the combustion temperature is high.
It has therefore already been proposed to use water in a
Introduce burner or water into an operating
To inject internal combustion engine. This was done to make up for the incompletely burned fuel that took the form of
Carbon settles to diminish something; In internal combustion engines, the nitrogen oxide production can be somewhat reduced and in certain cases, for example in aircraft piston engines, can be very rich for a short time at higher power
Mixtures are worked, which would otherwise lead to burnout of the machine. Injecting water, however, has serious disadvantages. Above all, it is very difficult to precisely control the corresponding amounts of water and fuel.
Even if the control is in sufficient
Mass is carried out, the efficiency decreases because the water is evaporated with an extremely high heat of vaporization and has to be heated during combustion, for which additional energy is required due to the high specific heat of the water vapor. Injection of the water has therefore only rarely been used in practice.
The invention now relates to a method for burning a liquid fuel in a burner in the presence of water, the liquid fuel and the water being emulsified to produce a water-oil emulsion with approximately 10% water to approximately 50% water by passing them through a sonication zone and the emulsion is still burned in emulsion form. The method is characterized in that the sound is generated by means of a sound generator and an acoustic transmitter connected to it in the form of a rod-shaped body, the cross-section of which is greater at the end connected to the sound generator than at the part acting on the liquid.
The device for carrying out the method has a sound generator and an acoustic transducer connected to it, according to the invention, it is characterized in that the section of the acoustic transducer facing away from the sound generator is arranged in a housing which surrounds this section of the transducer, forming an annular gap. The acoustic transmitter is preferably designed in such a way that its part which acts on the liquid and the housing form a narrow gap.
The shape of the acoustic transducer with its smaller cross-section compared to the fastening end on its part acting on the liquid results in an increased energy density and thus a higher movement speed and increased mixing intensity.
This creates an extremely finely dispersed emulsion; and it is the fine, heretofore unattainable dispersion which leads to the remarkable new results set out below.
If, according to the method according to the invention, a water-TSI emulsion is burned which contains about 10% to about 50% water, an extremely clean combustion results, and pollution and pollution are reduced to a minimum; with a burner in direct contact with the atmosphere, up to 30% water will produce results in which the heat obtained from combustion is essentially the same as if all of the hydrocarbon fuel was burned. In other words, with 70% fuel and 30% water, the emulsion produces the same amount of heat.
This surprising result has been repeatedly checked; Although the present invention is not intended to be limited to any particular theory, it seems likely that the emulsion burns significantly more completely, so that the lesser amount of fuel is completely burned and the same final heat is achieved as in cases where no water is present . The above statements have been made with regard to an arrangement in which the surfaces which are heated are at a temperature which is sufficiently high that the water vapor cannot condense. In other words, the new result is not due in part to the condensation of water vapor on cooler surfaces.
In an internal combustion engine, the surfaces are not only hot, but the exhaust gases leave the cylinder at a temperature that is well above the condensation point of water vapor.
Although when the present invention is applied to internal combustion engines, the total amount of energy can be just as large or, under certain circumstances, even greater, the highest flame temperature is generally lower; it seems likely that the decreased nitrogen oxides leakage is mainly due to this factor. The water vapor, which is present in larger quantities compared to the carbon dioxide, can also play a causative role for this.
The invention is also not restricted to a specific point in time during the entire combustion process, when the water-oil emulsion is (actually) generated. This can take place at the point in time when the atomization takes place just before, or at the point of ignition. However, this is not necessary; the emulsion can also be conveyed to the burner nozzle in a previously formed state. Particularly in the case of the preferred emulsions produced by sonic mixing, the emulsion is very stable and can therefore be produced at a point which is far away from the burner; such a modification is of course also encompassed by the invention.
An emulsion is also possible which is formed by flowing water and oil above the emulsification point, preferably at the end of the acoustic transmitter, in such a way that the emulsion is formed at the same point or practically at the same point where the atomization takes place in the flame. In internal combustion engines in particular, it is almost always preferable to bring the water and fuel stream together just before the atomization point. Of course, it is also possible to feed an emulsion that has already been formed to the sonic atomizer; however, this requires a separate process step and the results are not significantly better.
In particular, in the case of sonic atomization for combustion or even more so in internal combustion engines, the emulsion which is generally used is therefore which is formed at the time of or as part of the atomization by the atomizing device.
Emulsifying agents need not be used in emulsification, especially when sonic emulsification is used. This saves an additional process step and thereby the emulsification costs are reduced, although the present invention does not exclude an emulsion that is in the presence of a small amount of an emulsifying agent, for example a small amount, generally a fraction of a percent, a dialkyl sulfosuccinate or another well-known emulsifying agent has been prepared, which can facilitate the formation of water) l emulsions. In this case, which is generally not preferred, any known emulsifying agent can be used.
Typically major difficulties arise in the combustion of heavy residual oil, where steam heating is often required. However, heavy oil emulsifies more easily than light oil; if it is emulsified with a considerable amount of water, the viscosity is low enough that it can be burned without preheating. This is an added benefit of using heavy oils. Why the heavy oil emulsifies more easily and at a lower viscosity has not yet been established with absolute certainty. It is possible that the heavy fuel oil contains impurities that aid emulsification and are not present in purer, lighter fuel oils.
Further advantages and details of the invention are explained in detail on the basis of preferred exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:
1 shows a diagrammatic representation of a sonic emulsifier and a burner;
2 shows details of the emulsifier on a somewhat larger scale and partially in section;
Fig. 3 is a semi-diagrammatic representation of a combined th sound atomizer and an emulsifier, such as are used in particular in internal combustion engines;
4 shows an illustration of an emulsifier and burner unit, in particular for larger units; and, on a large scale,
Fig. 5 is a front view of the enlarged plate at the free end of the acoustic transducer.
In Fig. 1, a sound generator 1 is shown, which feeds an acoustic transmitter 2 in the form of a rod-shaped body with sound energy. The end 9 (FIG. 2) of the acoustic transmitter extends through an elastically flexible seal 4, which is arranged precisely at the junction of the transmitter, into a chamber 3. Fuel, for example household heating oil, is supplied via a line 5 and combines with a flow of water supplied via a line 7 in an operationally reliable valve 18, which is opened by the fuel pressure. These two flows meet the oscillating end 9 of the transmitter, as best shown in FIG 2 it can be seen where part of the chamber 3 is shown in section.
The strong sound mixture emulsifies the two currents, which then leave the chamber in the axial direction through an outlet channel 6 in a plate 22 which is arranged close to the vibrating end 9 of the acoustic transmitter. The emulsion flows from the outlet channel 6 into a combustion chamber, not shown, of a conventional burner 8.
Air is fed to the burner 8 at the point 20, and a flame results. While the fuel / water ratios can vary over a wide range, for example from about 10% water to about 50% water, a very suitable mixture results at about 70% fuel and 30% water.
The acoustic transmitter 2 has a conventional structure of a stack of piezoelectric plates, not shown, which are excited via a cable 12 by a suitable high-frequency oscillator, also not shown, which operates, for example, at a frequency of approximately 20,000 Hz. The end plate 10 at the end 9 of the transmitter can be a flat plate or it can be provided with a suitable baffle, for example a spiral baffle, in order to lengthen the time spent in the strong sound field. The structure of the sonic emulsifier has nothing to do with the present invention in detail; only a typical embodiment is shown in the drawing.
4 and 5 show an emulsifier burner unit for firing systems. The same elements are denoted by the same reference numerals as in FIGS. 1 to 3.
The end of the acoustic transmitter has the general shape shown in Figure 3, which will be described in detail below; the parts have the same reference numerals as in FIG. 3. FIG. 4 shows an outer housing 17 through which air is blown by means of a fan 21. This air flows over the sound generator 2, cools it, which is necessary with a large burner, and finally flows over the end of an inner housing 15. Fuel and water pass through the lines 5 and 7 into an annular space between the inner housing 15 and the transformer 2. The latter is provided with an end plate 10 which has a series of small annular recesses 11 each with a centrally arranged projection 23 which is formed in the ring. This is shown in FIG. 5.
The space between the end of the housing 15 and the plate 10 is quite narrow and is shown somewhat exaggerated in FIG. 4 for the sake of clarity. A fuel-water film flows over the plate 10, where it emulsifies, atomizes and is thrown away a certain distance with the formation of a flame perpendicular thereto, as shown at 19 in FIG. 4.
In order to determine the combustion results in a boiler, the times were measured which it takes to bring the water in the boiler casing from a certain temperature to a temperature just below its boiling point.
The heating output can be determined from the time values given in the table below. The table shows the measurement results of eight experiments, in experiments 1 to 5 unmixed household heating oil and in experiments 6 to 8 a mixture of 70% oil and 30% water was used.
Temperature (1) Temperature (2) Time Material 1. 1500 192 "Oil 2. 1500 194" 4-13 "Oil 3.150 194" 4-14 "Oil 4.146 192" 4-6 "Oil 5.144" 194 "3-40" Oil 6.146 194 "3-30" 600 oil
325 water 7.1440 192 "4-20" 850 oil
200 water 8,144 196 4-16 "800 oil
250 water
The boiler surfaces were carefully examined during the tests and were clean.
A flame was produced which was whiter; there was no visible smoke emanating from the chimney, and an exhaust gas analysis showed a more complete and perfect combustion.
In Fig. 3, a modification of the sound atomizer, in particular for internal combustion engines, is shown. The acoustic transmitter is denoted by the same reference numerals as in Figures 1 and 2, but, as in Figures 4 and 5, the shape of the end of the transmitter is somewhat different; this end is expanded into a plate 10. The plate 10 has only smooth surfaces and no annular depressions as in FIG. Gasoline is supplied via line 14 into an annular space between the acoustic transmitter and a housing 15 and water via line 13.
The two liquids flow downwards until they hit the edge of the expanded plate 10, where they continue to flow along the surface of the plate, being atomized and emulsified at the same time. Air is supplied to the atomized emulsion through an annular channel 16; the resulting mixture is then fed into the distribution line of an internal combustion engine, not shown.
The plate 10 projects beyond the housing 15; the space between the housing and the acoustic transmitter is shown in an exaggerated manner in FIG. 3; the strong sonic mixing of the plate throws a finely divided emulsion up from the top surfaces of the protrusion. Since the embodiment in FIG. 3 is designed for connection to a distributor line of an internal combustion engine, there is generally a certain vacuum; this causes the emulsion to be torn around the edge of the plate 10 as shown by arrows.
The air is carefully mixed, but it is not necessary for the emulsion to be thrown into the distributor pipe by the sonic vibration, while it is necessary in the horizontally arranged burner shown in FIG. 4 so that the fine, in the Forced air atomized emulsion to form the burner flame moved in a horizontal direction. For this reason, the direct contact of the plate with the fuel and water film flowing over it is provided on its front surface so that it is thrown in the direction to form the burner flame; because with a normal burner there is of course no vacuum as there is in a distribution line of an internal combustion engine.
Referring now to Figures 3 and 4, various embodiments of acoustic transducers and emulsification plates are shown; However, the invention is not limited to the precisely illustrated shapes and also not to the flat end plate 10 illustrated in FIG. 2. They are simply representations of typical embodiments, but the invention is not limited to the details. The internal combustion engine fed with a gasoline-water emulsion atomized in the air ran at the same output as with pure gasoline; however, the pollutants were greatly reduced: unburned hydrocarbons were reduced to practically zero, carbon monoxides greatly and nitrogen oxides even more. The following figures indicate the concentrations of the contaminants; the machine was running at about 5,000 rpm under load.
The concentrations of the pollutants are well below current emission standards and satisfy even stricter standards proposed for later years. The values are: carbon monoxide 0.94%, unburned hydrocarbons 0.0 and nitrogen oxides 11.35 ppm.
PATENT CLAIM I
A method for burning a liquid fuel in a burner in the presence of water, wherein the liquid fuel and the water to produce a water-oil emulsion with about 10% water to about 50% water are emulsified by passing through a sonication zone and the emulsion is still in Emulsion form is burned, characterized in that the sound is effected by means of a sound generator (1) and an acoustic transmitter (2) connected to it in the form of a rod-shaped body, the cross-section of which is larger at the end connected to the sound generator than at the end
Liquid acting part (10).
SUBCLAIMS
1. The method according to claim I, characterized in that the percentage of water is approximately 10 to approximately 30%.
2. The method according to claim I and dependent claim 1, characterized in that the emulsion is formed on the burner and combustion air is supplied with the emulsion.
PATENT CLAIM II
Device for carrying out the method according to claim 1, with a sound generator and an acoustic transmitter connected to it, characterized in that the section of the acoustic transmitter (2) facing away from the sound generator (1) is in a housing (3,
15) is arranged, which surrounds this section of the transformer to form an annular gap.