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Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur Erzeugung eines Aerosols aus festen Partikeln aus einer flüssigen Vorlage mittels Kaltvernebelung.
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Aerosole, Partikel im gasgetragenen Zustand, sind für natürliche und technische Prozesse von großer Bedeutung. Häufig besteht für technische Prozesse die Notwendigkeit, Aerosole mit bestimmten Eigenschaften zu erzeugen. Eine solche, für die Erzeugung eines technischen Aerosols bestimmte Einrichtung, wird als Aerosolgenerator bezeichnet. Die Wirkprinzipien eines Aerosolgenerators können sehr vielfältig sein. Dies reicht beispielsweise von der Dispergierung eines vorgelegten Haufwerkes bis hin zur Zerstäubung eines flüssigen Mediums. Letzteres wird angewendet für den Fall, dass ein Aerosol bestehendaus Flüssigkeitströpfchen gewünscht wird. Praktische Beispiele dafür sind Anlagen zur Farbbeschichtung oder Haushaltsprays aber auch Prüfaerosolgeneratoren für den Filtertest. Oft wird dabei das Prinzip der Zweistoffdüse, betrieben mit Treibgas, angewendet.
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Eine spezielle Form dieser Aerosolgenerierung wird durch das Ziel gebildet, Aerosole aus einer flüssigen Vorlage in Form fester Partikel zur Verfügung zu haben. Grundsätzlich lassen sich hierbei zwei Varianten des Prozesses unterscheiden, zum einen die Verwendung einer Lösung von Stoffen, die als Aerosolmaterial dienen und zum anderen die Verwendung einer Suspension, die die Partikel bereits in fester Form enthält.
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Wird eine solche Vorlage zerstäubt, so entstehen gasgetragene Tröpfchen. Das Zerstäuben erfolgt üblicherweise durch ein unter Druck stehendes Gas, welches durch Entspannung eine hohe Strömungsgeschwindigkeit erreicht. Durch Scherwirkung an der als kontinuierliche Phase zugeführten Vorlage entstehen in der Folge die gasgetragenen Tröpfchen. Stets entsteht dabei ein Spektrum an Tröpfchendurchmessern. Üblich ist die Anordnung der Zerstäubungseinrichtung in einem Prozessraum mit einer Öffnung für die Abgabe des Aerosols.
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Gemeinsam ist beiden Varianten des Prozesses, dass das eigentliche Aerosol erst nach Entzug der Flüssigkeit aus den Tröpfchen zur Verfügung steht. Das Trägergas des Aerosols kann bei bekannten technischen Gestaltungen diese Flüssigkeit nicht mehr aufnehmen, da das Trägergas an Flüssigkeit bereits zu einem hohen Maße gesättigt ist. Dies liegt daran, dass die bei der Zerstäubung entstehenden Tröpfchen eine sehr hohe massenbezogene Oberfläche aufweisen und damit einen intensiver Stoffübergang von den Tröpfchen zum Trägergas stattfindet.
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Von besonderer Bedeutung für diesen Aufsättigungsprozess ist die Fraktion der größeren Tröpfchen des erzeugten Durchmesserspektrums. Zum einen repräsentieren sie einen hohen Masseanteil an Flüssigkeit und tragen damit überproportional zur Aufsättigung bei. Aufgrund der Größe findet eine vollständige Verdunstung nicht statt. Zum anderen wird ein hoher Anteil dieser Tröpfchen oft schon im Prozessraum abgeschieden.
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Durch den intensiven Kontakt mit den Tröpfchen, auch der Anteil der im Aerosolgenerator technisch bedingt stets schon abgeschieden wird, ist die relative Feuchte des Trägergases bereits beim Ausströmen aus dem Aerosolgenerator stark erhöht.
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Deshalb erfolgt der Vorgang der Aerosoltrocknung üblicherweise durch das Zumischen von Trocknungsgas mit geringer relativer Feuchte. Durch die Trocknungsluft wird das Aerosol jedoch in der Konzentration herabgesetzt und damit verdünnt. Dieser Verdünnungseffekt ist in vielen Anwendungen nicht wünschenswert.
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Das Trocknen des Aerosols wird durch die Aufnahmefähigkeit der Trocknungsluft für verdunstete Flüssigkeit beeinflusst. Ist das Gleichgewicht erreicht, das heißt die Aufnahmefähigkeit der Trocknungsluft erschöpft, so findet keine weitere Trocknung statt. Ein nicht vollständig getrocknetes Aerosol kann in der Anwendung jedoch problematisch sein. Daraus resultiert eine Mindestmenge an Trocknungsluft, die zugegeben werden muss.
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Ein zweiter wichtiger Aspekt besteht in der Kinetik des Trocknungsprozesses. Für die Trocknung steht im technischen Prozess nur eine begrenzte Zeit zur Verfügung. Dies resultiert aus üblichen Aerosolströmen und dem begrenzten, zur Verfügung stehenden Bauraum für den Trocknungsprozess. Ist die Geschwindigkeit des Stoffüberganges von den zu trocknenden Tröpfchen zur Trocknungsluft zu klein, wird die Aufnahmekapazität der Trocknungsluft nicht ausgeschöpft oder die Trocknung bleibt zusätzlich unvollständig. Wird die Menge an Trocknungsluft zur Abhilfe weiter erhöht, ergeben sich bei gegebenem Bauraum verkürzte, wiederum nachteilig wirkende Verweilzeiten.
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Die Verbesserung der Kinetik wird bekannterweise durch Vorwärmung der Trocknungsluft erreicht. Dies führt zu einem nicht unerheblich hohen technischen Aufwand.
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Nach dem Stand der Technik wird die Zerstäubung der Flüssigkeit mit gegenüber Umgebung verminderter Temperatur durch Kaltvernebelung durchgeführt. Eine vorrichtung zur Erzeugung eines Aerosols durch Kaltvernebelung ist so durch die Druckschrift
DE 10 2012 203 011 A1 bekannt. Dies bewirkt, dass der hochgradig gesättigte Trägergasstrom nach dem Prozessschritt Zerstäubung durch einfache Aufwärmung durch Wärmezufuhr aus der Umgebung in der Flüssigkeitssättigung vermindert wird. Damit steht im Trägergasstrom Aufnahmekapazität für die Flüssigkeit der Tröpfchen zur Verfügung, ohne dass dazu im günstigsten Fall externe Trocknungsluft hinzugefügt werden muss. Externe Trocknungsluft wird dann nur noch zur Verbesserung der Kinetik benötigt, welche im optimalen Fall erwärmt zugeführt wird.
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Ein weiterer Schwerpunkt betrifft die Zerstäubungsdüse. Anwendungen, die eine große Menge an Aerosol erfordern, wie zum Beispiel die Abscheidegradprüfung hocheffizienter Luftfilter, müssen mit speziellen Lösungen für die Zerstäubung ausgerüstet werden. So ist durch die Druckschrift
US 5,609,798 A ein Aerosolgenerator mit einer größeren Anzahl von parallel betriebenen Düsen bekannt, der nach dem Prinzip der Zweistoffdüse arbeitet. Austritt des Treibgases ist damit eine Vielzahl von Bohrungen, an denen durch Verminderung des statischen Druckes Flüssigkeit aus der Vorlage angesaugt und zerstäubt wird. Eine Weiterentwickelung dazu ist durch die Druckschrift
DE 198 21 552 C1 als Aerosolgenerator bekannt, in dem eine größere Anzahl von Bohrungen zu einem Schlitz vereinigt sind. Diese Düse wird dann in die Flüssigkeitsvorlage getaucht betrieben.
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Gemeinsam ist diesen bekannten technischen Lösungen, dass die Flüssigkeitsvorlage einen gewissen Umfang im Bereich einiger bis mehrerer Liter Volumen betragen muss. Insbesondere für den Fall, dass die Flüssigkeitsvorlage ein kostenintensives Stoffsystem darstellt, ist der große mengenmäßige Umfang der Flüssigkeitsvorlage von Nachteil. Ein Beispiel ist die Abscheidegradprüfung hocheffizienter Luftfilter. Derartige Filter werden mit Partikeln geprüft, deren Größe möglichst der des Abscheidegradminimums entsprechen. Für alle anderen Partikelgrößen wird ein besserer Abscheidegrad erreicht. Vorzugsweise werden möglichst keine weiteren Partikelgrößen an der Filterprüfung beteiligt, da auch diese Partikel den Filter beladen und auch nach der Prüfung im Filter dauerhaft verbleiben. Daraus resultiert die Forderung nach quasimonodispersen Partikeln für derartige Filterprüfungen. Diese Partikelsysteme sind in Form einer wässrigen Suspension von Polymerpartikeln bekannt, jedoch sehr kostenintensiv.
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Durch die Druckschrift
DE 10 2009 041 742 A1 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von Kaltluft für medizinische Zwecke bekannt, wobei ein Druckluftstrom mittels eines Wirbelrohrs in einen Kaltluftstrom und einen Heißluftstrom aufteilbar ist.
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Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Erzeugung eines Aerosols aus festen Partikeln durch Kaltvernebelung einfach und ökonomisch günstig bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
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Die Einrichtungen zur Erzeugung eines Aerosols aus festen Partikeln aus einer flüssigen Vorlage mittels Kaltvernebelung zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass zur Kaltvernebelung und zur Bereitstellung einer erwärmten Trocknungsluft eine einfache technische Realisierung gegeben ist.
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Dazu ist oder sind eine drucklufterzeugende und/oder eine druckluftbereitstellende Einrichtung mit einem Wirbelrohr verbunden, so dass die Druckluft in einen abgekühlten Luftstrom und einen erwärmten Luftstrom aufgeteilt wird. Weiterhin sind der Ausgang des Wirbelrohrs mit dem abgekühlten Luftstrom mit einer Zerstäubungsdüse und der Ausgang des Wirbelrohrs mit dem erwärmten Luftstrom mit einer Trocknungseinrichtung der zerstäubten Vorlage verbunden. Die Zerstäubungsdüse ist darüber hinaus mit der Trocknungseinrichtung verbunden, so dass nach der Trocknungseinrichtung das Aerosol mit festen Partikeln aus der flüssigen Vorlage vorhanden ist.
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Damit ist eine einfache technische Realisierung sowohl der Kaltvernebelung als auch der Bereitstellung der erwärmten Trocknungsluft gegeben. Eine einfache Gestaltung der Kaltvernebelung wird durch den Betrieb der Zerstäubung mit gekühltem Druckgas bei gegen Wärmeaustausch isoliertem Prozessraum erreicht. Im optimalen Fall wird durch die Trocknungsluft genau die Wärmemenge zugeführt, die der Zerstäubungsluft zur Abkühlung entzogen wurde. Damit erreicht das Aerosol nach dem Zumischen der Trocknungsluft wieder die Umgebungstemperatur ohne dass eine Wärmezufuhr aus der Umgebung erforderlich wird.
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Die bei der Kaltvernebelung erforderliche abgekühlte Zerstäubungsluft und die für die Trocknung oder Wiedererwärmung erforderliche Luft wird technisch einfach in einem gemeinsamen Prozessschritt bereitgestellt. Dazu wird ein bekanntes Wirbelrohr, auch als Vortex Rohr bekannt, eingesetzt.
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Die Druckluft wird dabei in einen abgekühlten und einen erwärmten Teilstrom aufgeteilt. Der kalte Teilstrom wird zur Zerstäubung bei verminderter Temperatur (Kaltvernebelung) eingesetzt, der erwärmte Teilstrom wird für die Wiedererwärmung und Trocknung des Aerosols verwendet. Es wird der optimale Fall erreicht, dass die Wärmeströme jeweils des abgekühlten und des erwärmten Teilstromes in guter Näherung gleich sind. Daraus ergibt sich bei Mischung der Teilströme im Prozessschritt Trocknung, dass der austretende Aerosolstrom wieder die Temperatur der eingespeisten Druckluft in das Gesamtsystem erreicht. Dies gilt insbesondere für den Fall, dass kein nennenswerter Wärmeaustausch mit der Umgebung stattfindet. Üblicherweise ist die Temperatur der zugeführten Druckluft im Bereich der Umgebungstemperatur, so dass vorteilhafter Weise auch das getrocknete Aerosol in diesem Zustand vorliegt. Dies begünstigt die Verwendbarkeit des Aerosols in technischen Prozessen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 8 angegeben.
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Der die Zerstäubungsdüse aufweisende Prozessraum ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 ein gegen Wärmeaustausch isolierter Prozessraum.
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Die Trocknungseinrichtung ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 ein in Strömungsrichtung des Aerosols nach dem Prozessraum nachgeordneter Trocknungsraum mit einem Ausgang des Aerosols aus festen Partikeln.
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Der Zerstäubungsdüse ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 ein Prallabscheider nachgeordnet, so dass größere Partikel abgeschieden werden. Weiterhin ist ein Behälter zur Aufnahme der größeren Partikel im Prozessraum angeordnet.
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Der Behälter zur Aufnahme der flüssigen Vorlage und der abgeprallten größeren Partikel ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 über eine Pumpe mit der Zerstäubungsdüse verbunden.
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Ein in Richtung des austretenden Strahles eines Aerosols angeordneter bekannter Prallabscheider scheidet größere Partikel ab. Diese Partikel sammeln sich am Boden des Prozessraumes und werden in der dort befindlichen Flüssigkeitsvorlage wieder aufgenommen. Für die Flüssigkeit, die nicht als Aerosol der kleineren Partikelgrößenfraktion den Prozessraum verlässt, entsteht somit ein Kreislauf, da die Pumpe aus dieser Vorlage saugseitig mit Flüssigkeit versorgt wird. Damit kann eine große Aerosolmenge bei einer mengenmäßig vertretbar geringen Flüssigkeitsvorlage bereitgestellt werden.
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Die Zerstäubungsdüse ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 eine Zweistoffdüse mit einer Mehrzahl von Öffnungen, einem Schlitz oder einem durch zwei ineinander angeordnete Rohre ausgebildeten Ringspalt zum Austritt des Aerosols. Die Zweistoffdüse ist weiterhin mit dem Ausgang des Wirbelrohrs mit dem abgekühlten Luftrom und der flüssigen Vorlage verbunden. Damit kann vorteilhafterweise eine große Menge an Aerosol erzeugt werden, so dass die Einrichtung insbesondere auch zur Abscheidegradprüfung hocheffizienter Luftfilter verwendet werden kann. Derartige Filter werden mit Partikeln geprüft, deren Größe möglichst der des Abscheidegradminimums entsprechen. Für alle anderen Partikelgrößen wird ein besserer Abscheidegrad erreicht. Vorzugsweise werden möglichst keine weiteren Partikelgrößen an der Filterprüfung beteiligt, da auch diese Partikel den Filter beladen und auch nach der Prüfung im Filter dauerhaft verbleiben. Vorteilhafterweise können mit der Einrichtung so quasimonodispersen Partikel bereitgestellt werden.
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Die Zweistoffdüse mit einem Ringspalt als Austritt des Aerosols ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 mit einer Flüssigkeitspumpe so verschalten, dass die Flüssigkeit der Vorlage entgegen dem Druck des abgekühlten Luftstroms des Wirbelrohrs als Treibgas in den so unter Druck stehenden Innenraum der Zweistoffdüse geleitet wird. Dann durchströmen Flüssigkeit und Treibgas gemeinsam und gleichzeitig den Ringspalt in Form einer Mehrphasenströmung. Die Scherwirkung führt zur Zerstäubung der Flüssigkeit zum Aerosol.
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Das Wirbelrohr ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 mit der Zerstäubungsdüse und der Trocknungseinrichtung so verbunden, dass durch die Trocknungsluft genau die Wärmemenge zugeführt wird, die der Zerstäubungsluft zur Abkühlung entzogen wurde. Damit erreicht vorteilhafterweise das Aerosol aus festen Partikeln nach dem Zumischen der Trocknungsluft wieder die Umgebungstemperatur, ohne dass eine Wärmezufuhr aus der Umgebung erforderlich wird.
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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:
- 1 eine Einrichtung zur Erzeugung eines Aerosols aus festen Partikeln aus einer flüssigen Vorlage mittels Kaltvernebelung.
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Eine Einrichtung zur Erzeugung eines Aerosols 1 aus festen Partikeln aus einer flüssigen Vorlage 2 mittels Kaltvernebelung besteht im Wesentlichen aus einer drucklufterzeugenden Einrichtung 3, einem Wirbelrohr 4, einer Zerstäubungsdüse 5, einem Prallabscheider 6, einer Trocknungseinrichtung 7 und einer Pumpe 8.
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Die 1 zeigt eine Einrichtung zur Erzeugung eines Aerosols 1 aus festen Partikeln aus einer flüssigen Vorlage 2 mittels Kaltvernebelung in einer prinzipiellen Darstellung.
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Die drucklufterzeugende Einrichtung 3 ist mit dem Wirbelrohr 4 verbunden, so dass die eingespeiste Druckluft in einen abgekühlten Luftstrom und einen erwärmten Luftstrom aufgeteilt wird. Der Ausgang des Wirbelrohrs 4 mit dem abgekühlten Luftstrom ist mit der Zerstäubungsdüse 5 und der Ausgang des Wirbelrohrs 4 mit dem erwärmten Luftstrom mit der Trocknungseinrichtung 7 der zerstäubten Vorlage 2 verbunden. Weiterhin ist die Zerstäubungsdüse 5 mit der Trocknungseinrichtung 7 verbunden, so dass nach der Trocknungseinrichtung 7 ein Aerosol 1 mit festen Partikeln aus der flüssigen Vorlage 2 vorhanden ist. Die flüssige Vorlage 2 befindet sich dazu in einem Behälter, der mit einem Einlass 10 für Flüssigkeit versehen ist. Wenigstens die Zerstäubungsdüse 5, die flüssige Vorlage 2 und der Prallabscheider 6 sind die Bestandteile eines gegen Wärmeaustausch isolierten Prozessraums 9.
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Die Zerstäubungsdüse 5 ist eine bekannte Zweistoffdüse mit einer Mehrzahl von Öffnungen, einem Schlitz oder einem durch zwei ineinander angeordnete Rohre ausgebildeten Ringspalt zum Austritt des Aerosols 1, die mit dem Ausgang des Wirbelrohrs 4 mit dem abgekühlten Luftrom und der flüssigen Vorlage 2 verbunden ist.
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In einer Ausführungsform kann die Zweistoffdüse mit einem Ringspalt als Austritt des Aerosols 1 mit einer Flüssigkeitspumpe 8 so verschalten sein, dass die Flüssigkeit der Vorlage 2 entgegen dem Druck des Treibgases, hier der abgekühlte Luftstrom aus dem Wirbelrohr 4 direkt oder über eine Pumpe, in den so unter Druck stehenden Innenraum der Zweistoffdüse geleitet wird. Flüssigkeit und Treibgas durchströmen gemeinsam und gleichzeitig den Ringspalt der Zweistoffdüse als Zerstäubungsdüse 5 in Form einer Mehrphasenströmung.
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Der Zerstäubungsdüse 5 ist der Prallabscheider 6 nachgeordnet, so dass größere Partikel abgeschieden werden. Der Prallabscheider ist mit der dem Behälter als Vorlage 2 der Flüssigkeit verbunden, so dass die größeren abgeschiedenen Partikel in die Vorlage 2 gelangen. Der Behälter zur Aufnahme der flüssigen Vorlage 2 und der abgeprallten größeren Partikel ist über die Pumpe 8 mit der Zerstäubungsdüse 5 verbunden.
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Die Trocknungseinrichtung 7 ist ein in Strömungsrichtung des Aerosols 1 nach dem Prozessraum 9 nachgeordneter Trocknungsraum mit einem Ausgang des Aerosols 1 aus festen Partikeln.
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Das Wirbelrohr 4 kann vorteilhafterweise mit der Zerstäubungsdüse 5 und der Trocknungseinrichtung 7 so verbunden sein, dass durch die Trocknungsluft als der durch das Wirbelrohr 4 zugeführte, erwärmte Luftstrom genau die Wärmemenge zugeführt wird, die der Zerstäubungsluft als der durch das Wirbelrohr 4 zugeführte, abgekühlte Luftstrom zur Abkühlung entzogen wurde. Damit erreicht das Aerosol 1 aus festen Partikeln nach dem Zumischen der Trocknungsluft wieder die Temperatur der Umgebung, ohne dass eine Wärmezufuhr aus der Luft 11 der Umgebung erforderlich wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Aerosol
- 2
- flüssige Vorlage
- 3
- drucklufterzeugende Einrichtung
- 4
- Wirbelrohr
- 5
- Zerstäubungsdüse
- 6
- Prallabscheider
- 7
- Trocknungseinrichtung
- 8
- Pumpe
- 9
- Prozessraum
- 10
- Einlass
- 11
- Luft
