DE10049856A1 - Vorrichtung zum kontinuierlichen Verdampfen kleiner Mengen einer Flüssigkeit - Google Patents

Abstract

Zum kontinuierlichen Verdampfen kleiner Mengen einer Flüssigkeit (3) wird diese mittels einer Kapillare (4) mit geringer Geschwindigkeit in einen beheizten Verdampfungsraum (1) eingeleitet. Das mit einer Austrittsöffnung (6) für die Flüssigkeit (3) versehene Ende (7) der Kapillare (4) ragt freischwingend in den Verdampfungsraum (1) hinein und wird, beispielsweise durch seitliches Anströmen der Kapillare (4) mit einem Gasstrom (11), zum Schwingen angeregt, so dass die Flüssigkeit (3) in den Verdampfungsraum (1) hinein zerstäubt wird.

Description

Für die Verarbeitung oder Behandlung von Flüssigkeiten, bei­ spielsweise deren Analyse, kann eine zuvorige kontinuierliche Verdampfung der Flüssigkeit erforderlich sein. Kontinuierlich bedeutet hier, dass eine gleichmäßige Flüssigkeitsströmung in eine möglichst ebenso gleichmäßige Dampfströmung umgesetzt wird, ohne dass es zu lokalen Konzentrationsunterschieden unterschiedlicher Verdampfungsbestandteile im Dampf und damit in der Dampfströmung kommt. Insbesondere bei sehr geringen Flüssigkeitsmengen im Bereich von Mikrolitern je Minute und großen Siedepunktsunterschieden der einzelnen Inhaltsstoffe der Flüssigkeit gestaltet sich die kontinuierliche Verdamp­ fung als schwierig. So führt einfaches Eintropfen der Flüs­ sigkeit in einen beheizten Verdampfungsraum zu einer un­ gleichmäßigen Verdampfung, weil jeder einzelne Tropfen in einer durch Tropfengröße und äußere Umstände bestimmten Zeit fraktioniert verdampft; dabei verdampfen Inhaltsstoffe mit niedrigem Siedepunkt zuerst und Inhaltsstoffe mit hohem Sie­ depunkt zuletzt. Darüber hinaus kann aufgrund der Wärme in dem Verdampfungsraum die Verdampfung bereits in der Zuleitung für die Flüssigkeit beginnen, so dass dadurch zum einen die Gleichmäßigkeit der Flüssigkeitszufuhr gestört wird und zum anderen sich je nach Flüssigkeit feste Verdampfungsrückstände in der Zuleitung anlagern können, die die Flüssigkeitszufuhr ebenfalls bis hin zu einer Verstopfung der Zuleitung beein­ trächtigen. Solche festen Verdampfungsrückstände treten ins­ besondere bei der Verdampfung von organischen Brennstoffen, z. B. Benzin oder Diesel, auf.

Eine gleichmäßige Verdampfung kann durch Zerstäuben bzw. Ver­ nebeln der Flüssigkeit in dem Verdampfungsraum erzielt wer­ den, weil die so erzeugten Tröpfchen aufgrund ihrer geringen Größe sofort verdampfen. Die Verwendung eines Druckzerstäu­ bers, bei dem die Flüssigkeit durch eine Düse gedrückt wird, ist jedoch für sehr geringe zu verdampfende Flüssigkeits­ mengen nicht geeignet, weil dazu bei entsprechend kleiner Düse unvertretbar hohe Drücke erforderlich wären. Bei soge­ nannten Zweistoffdüsen wird die Flüssigkeit durch ein Träger- oder Zerstäubergas mitgerissen, was eine relativ hohe Ge­ schwindigkeit des Zerstäubergases und damit einen relativ hohen Gasdurchsatz erfordert. Außerdem wurde bei sogenannten Außenzerstäuberdüsen, bei denen eine innere Düse die Flüssig­ keit und eine äußere ringspaltförmige Manteldüse das Zerstäu­ bergas führen, eine zunehmend fortschreitende Verstopfung des Ringspalts durch feste Verdampfungsrückstände der Flüssigkeit festgestellt, was darauf zurückzuführen ist, dass die Flüs­ sigkeit beim Austritt aus der Innendüse aufgrund von Adhä­ sionskräften in Verbindung mit den lokalen Strömungsverhält­ nissen am Düsenrand an der Außenwand der Innendüse zurück kriecht, dabei teilweise verdampft und feste Verdampfungs­ rückstände ablagert. Schließlich hat sich auch die Zerstäu­ bung geringer Flüssigkeitsmengen durch Zufuhr auf eine hoch­ frequent schwingende Scheibe als problembehaftet erwiesen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, mit möglichst einfachen Mitteln eine kontinuierliche Verdampfung kleiner Flüssigkeitsmengen zu erreichen, ohne dass die Verdampfung durch Verdampfungsrückstände beeinflusst wird.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Verdampfen kleiner Mengen einer Flüssig­ keit in einem beheizten Verdampfungsraum gelöst, mit einer die Flüssigkeit mit geringer Geschwindigkeit in den Verdamp­ fungsraum einleitenden Kapillare, deren mit einer Austritts­ öffnung für die Flüssigkeit versehenes Ende freischwingend in den Verdampfungsraum hineinragt, und mit einer Einrichtung zur Schwingungsanregung des freien Endes der Kapillare. Durch das Schwingen der Kapillare wird eine Zerstäubung der aus ihr austretenden Flüssigkeit in den Verdampfungsraum bewirkt, wo­ bei sich die dabei erzeugten Flüssigkeitströpfchen zum Teil auf den heißen Innenwänden des Verdampfungsraums niederschla­ gen und dort verdampfen oder bereits auf dem Weg dorthin ver­ dampfen. Die Verdampfung der Flüssigkeit erfolgt somit außer­ halb der Austrittsöffnung der Kapillare, so dass sich dort auch keine Verdampfungsrückstände bilden und anlagern können. Je höher die Frequenz der Schwingung der Kapillare ist, um so feiner wird die austretende Flüssigkeit zerstäubt.

Als Kapillare wird bevorzugt eine Glas- oder Quarzkapillare verwendet, wie sie beispielsweise von der Gaschromatographie als Ausgangsprodukt für Trennsäulen bekannt sind. Glas- oder Quarzkapillaren sind mit Innendurchmessern im Mikrometer- Bereich erhältlich und somit für die Förderung sehr kleiner Flüssigkeitsmengen geeignet.

Das freie Ende der Kapillare wird vorzugsweise in Resonanz­ schwingung versetzt, so dass die Frequenz der Schwingung über die Länge des freien Endes der Kapillare und ihre Elastizi­ tätswerte genau bestimmt und eingestellt werden kann. In diesem Zusammenhang ist die Kapillare vorzugsweise in einem durch eine Wand des Verdampfungsraumes führenden Durchfüh­ rungsrohr gehalten und ragt mit ihrem freien Ende aus diesem heraus. Die Frequenz der Schwingung wird somit beim Einschie­ ben der Kapillare in das Durchführungsrohr festgelegt, wobei das Durchführungsrohr mit der Kapillare eine Einheit bilden, die später in den Verdampfungsraum montiert werden kann. Eine nachträgliche Justierung der Frequenz lässt sich dadurch er­ möglichen, dass die Kapillare in dem Durchführungsrohr ver­ schiebbar gehalten ist.

Die Schwingungsanregung der Kapillare kann auf unterschied­ liche Art und Weise erfolgen. Entsprechend einer bevorzugten Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Ein­ richtung zur Schwingungsanregung eine dem freien Ende der Kapillare benachbarte und dieses von der Seite mit einem Gasstrom anströmende Gasdüse auf. Der Gasstrom bildet nach seinem Austritt aus der Gasdüse Strömungswirbel aus, die die Kapillare in Schwingung versetzen. Im Vergleich zu dem bei einer Zerstäubung mit einer Zweistoffdüse benötigten Zerstäu­ bergasdurchsatz ist der hier benötigte Gasdurchsatz wesent­ lich geringer.

Für eine alternative Schwingungsanregung der Kapillare ist diese mittelbar oder unmittelbar in einer Wand des Verdamp­ fungsraumes gehalten, wobei die Einrichtung zur Schwingungs­ anregung einen außen an dem Verdampfungsraum angreifenden und diesen mit der darin gehaltenen Kapillare in Schwingungen versetzenden Schwingungsgeber, vorzugsweise ein Piezoelement, aufweist.

Um zu verhindern, dass die Flüssigkeit bereits innerhalb der Kapillare verdampfen und diese mit festen Verdampfungsrück­ ständen allmählich verstopfen kann, ist bevorzugt eine Kühl­ einrichtung vorgesehen, die eine im Wesentlichen parallel zu der Kapillare außen an dieser entlang strömenden Gasströmung erzeugt. Dazu kann die Kühleinrichtung ein gasführendes Rohr aufweisen, das abschnittsweise parallel zu der Kapillare bis zum Beginn ihres freien Endes verläuft. Insbesondere kann das gasführende Rohr der Kühleinrichtung in dem oben erwähnten Durchführungsrohr enthalten sein oder von dieses gebildet werden.

Um bei aus organischen Brennstoffen, insbesondere Mineralöl­ produkten, bestehender Flüssigkeit Oxidationen zu vermeiden, wird vorzugsweise ein sauerstofffreies Gas, insbesondere Stickstoff, sei es zur Schwingungsanregung und/oder zum Kühlen der Kapillare, verwendet.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im Einzelnen zeigen

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemä­ ßen Vorrichtung,

Fig. 2 ein erstes Beispiel für die Halterung und Kühlung der Kapillare,

Fig. 3 ein weiteres Beispiel für die Halterung und Kühlung der Kapillare und

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung.

Fig. 1 zeigt einen Verdampfungsraum 1, der mittels einer Heizung 2 elektrisch beheizt wird. Eine zu verdampfende Flüs­ sigkeit 3 wird mittels einer Kapillare 4 in den Verdampfungs­ raum 1 eingeleitet und verlässt diesen nach ihrer Verdampfung durch einen Auslass 5. Die Kapillare 4 ragt mit ihrem eine Austrittsöffnung 6 für die Flüssigkeit 3 aufweisenden freien Ende 7 freischwingend in den Verdampfungsraum 1 hinein. Dazu ist die Kapillare 4 in einem durch eine Wand 8 des Verdamp­ fungsraumes 1 führenden Durchführungsrohr 9 in der Weise ge­ halten, dass das freie Ende 7 der Kapillare 4 aus dem Durch­ führungsrohr 9 herausragt, wobei die Kapillare 4 am Beginn 10 des freien Endes 7, also dort, wo sie aus dem Durchführungs­ rohr 9 austritt, an diesem, beispielsweise durch Kleben oder Klemmen, befestigt ist.

Um eine effektive Verdampfung der Flüssigkeit 3 zu erreichen und um zu verhindern, dass die Flüssigkeit 3 unmittelbar an der Austrittsöffnung 6 der Kapillare 4 verdampft und diese durch Verdampfungsrückstände verstopfen kann, wird das freie Ende 7 der Kapillare 4 in eine hochfrequente Resonanzschwin­ gung versetzt. Dies geschieht bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel durch seitliches Anströmen des freien Endes 7 der Kapillare 4 mit einem Gasstrom 11, der mittels einer Gasdüse 12 in den Verdampfungsraum 1 eingeleitet wird. Der Gasstrom 11 bildet nach seinem Austritt aus der Gasdüse 12 Strömungswirbel aus, die die Kapillare 4 zum Schwingen anregen. Durch das Schwingen der Kapillare 4 wird die aus ihr austretende Flüssigkeit 3 in den Verdampfungsraum 1 hinein zerstäubt, wobei sich die dabei erzeugten Flüssigkeitströpf­ chen zum Teil auf den heißen Innenwänden des Verdampfungs­ raums 1 niederschlagen und dort verdampfen oder bereits auf dem Weg dorthin verdampfen. Die Verdampfung der Flüssigkeit 3 erfolgt somit außerhalb der Austrittsöffnung 6 der Kapillare 4, so dass sich dort auch keine Verdampfungsrückstände bilden und anlagern können.

Um zu verhindern, dass die Flüssigkeit 3 bereits innerhalb der Kapillare 4 verdampfen und diese mit festen Verdampfungs­ rückständen allmählich verstopfen kann, ist eine Kühleinrich­ tung 18 vorgesehen, die eine im Wesentlichen parallel zu der Kapillare 4 außen an dieser entlang strömenden Gasströmung 13 erzeugt. Dazu weist die Kühleinrichtung 18 ein gasführendes Rohr, hier z. B. das Durchführungsrohr 9, auf, das ab­ schnittsweise parallel zu der Kapillare 4 bis zum Beginn 10 ihres freien Endes 7 verläuft.

Fig. 2 zeigt das Durchführungsrohr 9 mit der darin geführten Kapillare 4 im Querschnitt.

Fig. 3 zeigt ein separates gasführendes Rohr 14 der Kühlein­ richtung 18, das, gegebenenfalls abschnittsweise, zusammen mit der Kapillare 4 in dem Durchführungsrohr 9 verläuft.

Das in Fig. 4 gezeigte Ausführungsbeispiel der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung unterscheidet sich von dem nach Fig. 1 da­ durch, dass der gesamte Verdampfungsraum 1 mit der darin ge­ haltenen Kapillare 4 mittels eines Schwingungsgebers 15 in Schwingung versetzt wird. Dazu greift hier ein durch eine Oszillatorschaltung 16 angesteuertes Piezoelement 17 außen an dem Verdampfungsraum 1 an.

Claims (11)

1. Vorrichtung zum kontinuierlichen Verdampfen kleiner Mengen einer Flüssigkeit (3) in einem beheizten Verdampfungsraum (1), mit einer die Flüssigkeit (3) mit geringer Geschwindig­ keit in den Verdampfungsraum (1) einleitenden Kapillare (4), deren mit einer Austrittsöffnung (6) für die Flüssigkeit (4) versehenes Ende (7) freischwingend in den Verdampfungsraum (1) hineinragt, und mit einer Einrichtung (12; 15, 16, 17) zur Schwingungsanregung des freien Endes (7) der Kapillare (4)

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Kapillare (9) für die Flüssigkeit (3) als Glas- oder Quarzkapillare ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Kapillare (4) in einem durch eine Wand (8) des Verdampfungsraumes (1) führenden Durchfüh­ rungsrohr (9) gehalten ist und mit ihrem freien Ende (7) aus diesem herausragt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Kapillare (4) in dem Durchführungs­ rohr (9) verschiebbar gehalten ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Schwingungsanregung eine dem freien Ende (7) der Kapil­ lare (4) benachbarte und dieses von der Seite mit einem Gas­ strom (11) anströmende Gasdüse (12) aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, dass die Kapillare (4) in einer Wand (8) des Verdampfungsraumes (1) gehalten ist und dass die Einrichtung zur Schwingungsanregung einen außen an dem Verdampfungsraum (1) angreifenden und diesen mit der darin gehaltenen Kapillare (4) in Schwingungen versetzenden Schwingungsgeber (15) aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Schwingungsgeber (15) ein Piezo­ element (17) umfasst.

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass eine Kühleinrich­ tung (18) zur Erzeugung einer im Wesentlichen parallel zu der Kapillare (4) außen an dieser entlang strömenden Gasströmung (13) vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Kühleinrichtung (18) ein gasführen­ des Rohr (14) aufweist, das abschnittsweise parallel zu der Kapillare (4) bis zum Beginn (10) ihres freien Endes (7) verläuft.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, dass bei Halterung der Kapillare (4) in einem durch eine Wand (8) des Verdampfungsraumes (1) füh­ renden Durchführungsrohr (9) dieses das gasführende Rohr (14) der Kühleinrichtung (18) enthält oder bildet.

11. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei aus organischen Brennstoffen, insbesondere aus Mineralöl­ produkten, bestehender Flüssigkeit (3) der Gasstrom (11) und/oder die Gasströmung (13) aus einem sauerstofffreien Gas bestehen.