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Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Erzeugung eines Raumtemperatur aufweisenden Feststoffaerosols mit einer unter Druck stehenden und mit Trägergas betriebenen Zerstäubungseinrichtung für eine sich in einem Behälter befindenden Lösung oder Suspension.
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Für verschiedenste technische oder medizinische Anwendungen sind Aerosole erforderlich, die aus einem Trägergasstrom und festen Partikeln bestehen. Diese Aerosole sind als Stäube bekannt. Besonders für sehr geringe Konzentrationen wird ein derartiges Aerosol durch Versprühen einer wässrigen Lösung eines Salzes oder einer wässrigen Suspension eines pulverförmigen Haufwerkes in einer bekannten Zweistoffdüse erzeugt. Eine wässrige Suspension besteht aus im Suspensionsmittel (Wasser) verteilten Feststoffpartikeln. Dabei entstehen Tröpfchen oder im Idealfall Tröpfchen die ein oder mehreren Partikel enthalten.
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Problematisch ist oft der Feuchtigkeitsgehalt des erzeugten Aerosols.
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Der Trägergasstrom verlässt den Generator stets im nahezu gesättigten Zustand. Hervorgerufen wird dies durch zwei Effekte. Erstens wird beim Versprühen der Suspension erheblich mehr Aerosol erzeugt, als abgegeben wird. Hierbei handelt es sich vor allem um größere Tröpfchen, die aufgrund ihres strömungsmechanischen Verhaltens intern abgeschieden werden, den Generator nicht verlassen können, und dem Flüssigkeitsreservoir wieder zufließen können.
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Dieser Massenstrom an tröpchenförmigen Suspensionsmittel im Generator ist mengenmäßig ausreichend, den Trägergasstrom zu sättigen. Durch die hohe massenspezifische Oberfläche der Tröpfchen ist die Kontaktfläche auch hinreichend groß, die Sättigung innerhalb der Verweilzeit des Trägergases im Generator herbeizuführen.
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Die Sättigung des Trägergasstromes führt dazu, dass der Wasseranteil der Tröpfchen anschließend nicht im Trägergasstrom verdunsten kann.
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Damit liegt kein Aerosol vor, das nur aus Feststoffpartikeln besteht.
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Im Fall des Versprühens einer Salzlösung entsteht wieder ein Tröpfchen, im Fall des Versprühen einer Suspension entsteht ein Aerosol mit Feststoffpartikeln, umgeben von einer Flüssigkeitshülle.
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Ein weiteres Problem des flüssigkeitsgesättigten Trägergasstromes ist die Gefahr des Auskondensierens von Flüssigkeit in nachfolgenden Prozessen und Anwendungen.
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Üblicherweise wird dieses Problem durch die Nachschaltung eines Trocknungsaggregates, zum Beispiel einem Adsorptionstrockner, oder durch die Zumischung von entfeuchtetem Gas gelöst.
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Das ist bei Ersterem mit einer bestimmten und unerwünschten Beeinflussung des Aerosols und mit technischem Aufwand verbunden. Beim Zweiten Fall wird immer eine – häufig unerwünschte – Verdünnung des Aerosols realisiert.
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Die Druckschrift
US 2011/0 192 909 A1 beinhaltet eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Aerosols mit einer Zerstäubungseinrichtung für ein sich in einem Behälter befindenden Lösung oder Suspension, einer Einrichtung zur Kühlung des Trägergases und einer Heizeinrichtung für das Aerosol. Entscheidend ist die Temperatur bei der Aerosolentstehung. An diesem Ort steht das Trägergas im thermodynamischen Gleichgewicht mit der Aerosolflüssigkeit. Diese Temperatur führt zu unterschiedlichen Sättigungen des Trägergases mit Dampf aus der Aerosolflüssigkeit. Durch den bei dieser Lösung vorhandenen guten thermischen Kontakt der beheizten Kammer mit dem die Zerstäubungseinrichtung tragenden Flansch wird sich die Temperatur nahe Raumtemperatur einstellen. Diese Temperatur führt hier zu einer relativ hohen Sättigung des Trägergases mit Dampf der Aerosolflüssigkeit durch Mitnahme von Dampf aus der Zone der Aerosolentstehung.
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Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, als Stäube bekannte Aerosole durch Versprühen einer Lösung oder einer wässrigen Suspension einfach zu erzeugen.
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Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
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Die Vorrichtungen zur Erzeugung eines Raumtemperatur aufweisenden Feststoffaerosols mit einer unter Druck stehenden und mit Trägergas betriebenen Zerstäubungseinrichtung für eine sich in einem Behälter befindenden Lösung oder Suspension zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass als Stäube bekannte Aerosole durch Versprühen einer Lösung oder einer wässrigen Suspension einfach erzeugbar sind.
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Weiterhin weist die Vorrichtung
- – eine der Zerstäubungseinrichtung vorgeschaltete Einrichtung zur Kühlung des Trägergases auf eine Zerstäubungstemperatur größer als die Schmelztemperatur der Lösung oder Suspension und kleiner als die Raumtemperatur und
- – eine der Zerstäubungseinrichtung nachgeschaltete und das aus dem Trägergas und der Lösung oder Suspension entstehende Aerosol auf Raumtemperatur erwärmende Heizeinrichtung
auf, so dass die Zerstäubung bei Temperaturen deutlich unterhalb der Raumtemperatur abläuft.
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Bei der Vorrichtung wird der Effekt genutzt, dass ein Gas mit einer geringeren Temperatur bei Sättigung nur eine geringere Menge einer Flüssigkeit je Masseneinheit aufnehmen kann, als bei einer höheren Temperatur.
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Der Versprühprozess zur Erzeugung des Tröpfchenaerosols wird deshalb bei möglichst geringer Temperatur, oberhalb der Schmelztemperatur der Flüssigkeit, aber deutlich unter Raumtemperatur durchgeführt.
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Die auch dabei auftretende Sättigung des Trägergasstromes führt jedoch bei anschließender Erwärmung des erzeugten Aerosols auf Raumtemperatur zu einem deutlichen Abstand der relativen Feuchte des Trägergasstromes von der Sättigungsgrenze.
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Für eine technisch sinnvolle Kombination der Parameter in Form des Volumenstromes des Trägergases, der Temperatur beim Versprühen, der Anzahl und dem Durchmesser der Tröpfchen je Zeiteinheit ist der Abstand zur Sättigungsgrenze ausreichend, den Flüssigkeitsanteil der Tröpfchen vollständig zu verdunsten und darüber hinaus nach dem Verdunstungsprozess zusätzlich noch einen Sicherheitsabstand bis zur Sättigungsgrenze zu gewährleisten.
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Durch das Versprühen einer Salzlösung oder einer Suspension bei verringerter Temperatur und anschließende Erwärmung des Aerosols auf Raumtemperatur kann unter Verzicht auf ein nachgeschaltetes Trocknungsaggregat ein Feststoffaerosol erzeugt werden. Der Flüssigkeitsgehalt dieses Aerosols ist so niedrig, dass in nachgeschalteten Prozessen oder Anwendungen bei Raumtemperatur keine Gefahr des Auskondensierens von Flüssigkeit besteht.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 7 angegeben.
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Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 ist an einen mit der Zerstäubungseinrichtung verbundenen Behälter für die Lösung oder Suspension eine Kühleinrichtung für die Lösung oder Suspension gekoppelt. Neben dem gekühlten Trägergas gelangt auch gekühlte Lösung oder Suspension zur Zerstäubungseinrichtung.
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Die Zerstäubungseinrichtung ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 eine Zweistoffdüse für das Trägergas und die Lösung oder Suspension.
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Die bekannte Zweistoffdüse arbeitet nach dem Prinzip einer Strahlpumpe. Der Energielieferant ist dabei das strömende Trägergas. Die Lösung oder Suspension wird dabei durch Impulsaustausch angesaugt und gefördert. Die Strahlpumpe weist keine bewegten Bestandteile auf, so dass diese sehr wartungsarm und ökonomisch günstig einsetzbar ist.
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Zweckmäßigerweise ist das Trägergas nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 Druckluft.
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Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 ist die Lösung eine wässrige Lösung oder eine Salzlösung. Die Suspension ist eine wässrige Suspension.
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Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 sind die Lösung eine wässrige Lösung und die Suspension eine wässrige Suspension. Weiterhin ist die Zerstäubungstemperatur größer als die Schmelztemperatur von Wasser und kleiner als die Raumtemperatur für das Aerosol, so dass ein Abstand von der relativen Feuchte zu der Sättigungsgrenze des Trägergasstromes vorhanden ist.
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Ein Gas mit einer geringeren Temperatur nimmt bekannter weise bei Sättigung nur eine geringere Menge Wasser je Masseneinheit auf, als bei einer höheren Temperatur. Der Versprühprozess zur Erzeugung des Tröpfchenaerosols wird deshalb bei möglichst geringer Temperatur, oberhalb der Schmelztemperatur des Wassers, aber deutlich unter Raumtemperatur durchgeführt.
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Die auch dabei auftretende Sättigung des Trägergasstromes führt jedoch bei anschließender Erwärmung des erzeugten Aerosols auf Raumtemperatur zu einem deutlichen Abstand der relativen Feuchte des Trägergasstromes von der Sättigungsgrenze.
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Für eine technisch sinnvolle Kombination der Parameter Volumenstrom des Trägergases, Temperatur beim Versprühen, Anzahl und Durchmesser der Tröpfchen je Zeiteinheit ist der Abstand zur Sättigungsgrenze ausreichend, den Wasseranteil der Tröpfchen vollständig zu verdunsten und darüber hinaus nach dem Verdunstungsprozess zusätzlich noch einen Sicherheitsabstand bis zur Sättigungsgrenze zu gewährleisten.
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Der Abstand zwischen der relativen Feuchte und der Sättigungsgrenze des Trägergasstromes ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 vorteilhafterweise so groß, dass der Wasseranteil der Tröpfchen des Aerosols verdunstet.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
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Es zeigt die Fig. eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Aerosols.
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Eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Aerosols besteht im Wesentlichen aus einer drucklufterzeugenden Einrichtung 1, einer Einrichtung 2 zur Kühlung der Druckluft als Trägergas, einer Zerstäubungseinrichtung 3, einem Behälter 4 für Lösung oder Suspension, einer Heizeinrichtung 5 für das Aerosol und einem Auslass 6 für das Aerosol.
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Die Fig. zeigt eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Aerosols in einer prinzipiellen Darstellung.
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Die von der drucklufterzeugenden Einrichtung 1 zugeführte Druckluft wird in der Einrichtung 2 zur Kühlung auf die Zerstäubungstemperatur gekühlt. Die Zerstäubungstemperatur liegt oberhalb der Schmelztemperatur für die Lösung oder Suspension, aus der das Aerosol hergestellt werden soll, jedoch deutlich unterhalb der Raumtemperatur. In der Zerstäubungseinrichtung 3, die ebenfalls auf die Zerstäubungstemperatur gekühlt ist, wird die Druckluft verwendet, um mittels einer bekannter Zweistoffdüse aus dem gekühlten Behälter 4 die Lösung oder Suspension in die Zweistoffdüse anzusaugen und zu zerstäuben. Dazu ist an den mit der Zerstäubungseinrichtung 3 verbundenen Behälter 4 für die Lösung oder Suspension eine Kühleinrichtung für die Lösung oder Suspension gekoppelt.
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Das entstehende Aerosol wird der Heizeinrichtung 5 zugeleitet. Dort wird das Aerosol auf Raumtemperatur erwärmt. Am Auslass 6 steht das Feststoffaerosol zur Verfügung.
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Dazu sind in Ausführungsformen die Lösung eine wässrige Lösung und die Suspension eine wässrige Suspension. Die Zerstäubungstemperatur ist dabei größer als die Schmelztemperatur von Wasser und kleiner als die Raumtemperatur für das Aerosol, so dass ein Abstand von der relativen Feuchte zu der Sättigungsgrenze des Trägergasstromes vorhanden ist. Der Abstand zwischen der relativen Feuchte und der Sättigungsgrenze des Trägergasstromes ist dabei so groß, dass der Wasseranteil der Tröpfchen des Aerosols verdunstet.
