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Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur Erzeugung eines Aerosols aus einer flüssigen Vorlage mit einer Klassierung der Partikel.
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Aerosole, das heißt gasgetragene Partikel, besitzen sowohl eine steigende industrielle als auch eine umweltrelevante Bedeutung. Die Wechselwirkung dieser Aspekte zeigt sich zum Beispiel bei Filtern für Klimaanlagen. Sie sollen partikuläre Verunreinigungen aus der Luft entfernen und dabei eine möglichst hohe Energieeffizienz aufweisen. Die Abscheidung soll, wie bei den meisten Filtrationsaufgaben, einen bestimmten Grad mindestens erreichen.
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Diese Leistungsfähigkeit eines Filters wird durch einen Filtrationsprozess unter kontrollierten Bedingungen ermittelt. Kontrollierte Bedingungen einer solchen Filterprüfung sind erforderlich, um vergleichbare Prüfergebnisse zu erzielen. Vergleichbare Prüfergebnisse erlauben zum Beispiel das Einteilen von Filtern in Filterklassen oder Effizienzklassen. Diese dienen zur zielgerichteten Auswahl von Filterprodukten für eine bestimmte Applikation. Die kontrollierten Bedingungen der Filterprüfung sind für wichtige Anwendungsbereiche von Filter in Standards festgelegt. Beispiele dazu sind Filter für Staubsauger, Motorluftansaugung, KFZ-Innenraumbelüftung und Klimaanlagen.
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Kontrollierte Bedingungen für die Filterprüfung betreffen sowohl das durchströmende Fluid hinsichtlich Volumenstrom und Zustandsparameter und weitere Parameter als auch das Aerosol. Das Aerosol beeinflusst in entscheidender Weise das Ergebnis des Filtrationsprozesses für einen gegebenen Filter bei sonst unveränderten Parametern. Der Filtrationsprozess stellt eine sehr komplexe Wechselwirkung von Partikeln mit den Wirkelementen des Filters und bereits abgeschiedenen Partikeln dar. Die Wechselwirkungen können sowohl mechanischen Ursprungs als auch neben weiteren insbesondere elektrischen Ursprungs sein, hier eine elektrostatische Aufladung.
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Die genannte komplexe Wechselwirkung wird neben dem Aerosolmaterial maßgeblich durch die Parameter der Partikel des Aerosols Größenverteilung, Konzentration und Ladungszustand beeinflusst.
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Beispielhaft bewirkt beim Versprühen einer Flüssigkeit ein höherer Energieeintrag eine Verringerung der mittleren Partikelgröße und jedoch auch eine Erhöhung der Artikelanzahl die je Zeiteinheit erzeugt wird. Beides ist in der Regel nicht getrennt voneinander einstellbar.
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Aerosole, die den Anforderungen für die Filterprüfung unter kontrollierten Bedingungen gerecht werden, werden als Prüfaerosole bezeichnet. Die Vorgaben für das Aerosol können entweder aus der Festlegung seiner Parameter bestehen oder in der Vorgabe des Verfahrens der Aerosolgenerierung und dessen Parametern.
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Nicht festgelegte Parameter des Aerosols können dann so gesteuert werden, dass eine möglichst sinnvolle Filterprüfung erreicht wird.
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So erfolgt beispielsweise eine Prüfung hocheffizienter Filter für die Filtration von Atemluft bei sehr geringen Partikelgrößen. Da diese am wenigsten abgeschieden werden, weist der Abscheidegrad bei allen anderen Partikelgrößen stets bessere Werte auf, als der bei der so durchgeführten Prüfung festgestellt. Notwendigerweise wird bei der Prüfung eines Filters Material des Prüfaerosols im Filter deponiert. Die Masse steigt signifikant an, wenn das Prüfaerosol größere Partikel als für die Prüfung erforderlich, enthält. Dies kann bei der späteren Verwendung des Filters hochproblematisch sein. Ein vorteilhaftes Aerosol für diese Anwendung enthält deshalb möglichst wenig größere Partikel.
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Dagegen scheiden Filter für Klimaanlagen beispielsweise verstärkt größere Partikel ab. Kleine Partikel passieren den Filter, da im Vordergrund die energetische Effizienz steht. Die Prüfung dieser Filter hat dementsprechend mit einem Prüfaerosol zu erfolgen, dass diese großen Partikel enthält. Weist das Prüfaerosol darüber hinaus einen nennenswerten Anteil an kleineren Partikeln auf, sind zählende Methoden der Messung der Partikel für die Filterprüfung regelmäßig im Dynamikumfang des Konzentrationsmessbereiches überlastet.
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Die Druckschrift 10 2017 219 370 A1 offenbart eine Einrichtung zur Erzeugung eines Aerosols aus festen Partikeln aus einer flüssigen Vorlage mittels Kaltvernebelung. 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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Die Druckschrift 20 2015 105 630 U1 beinhaltet einen Aerosolgenerator mit einem Behälter mit der zu zerstäubenden Flüssigkeit mit einer Austrittsöffnung für das Aerosol, einer Zweistoffdüse in der Flüssigkeit, einem Verdichter, wenigstens einem Sensor und einer Steuereinrichtung. Damit sind insbesondere auch geringe Aerosolmengen bereitstellbar.
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Eine sehr einfach aufgebaute bekannte Dispergierdüse ist die Laskindüse. Die Besonderheit ist, das sich der Wirkort, das Zusammentreffen von beschleunigtem Treibgasstrahl und zu dispergierende Flüssigkeit, nicht innerhalb der Düse oder im freien Raum unmittelbar in der Nähe der Düse befindet, sondern unterhalb der Oberfläche der Vorlage für die Aerosolflüssigkeit. Der Wirkort wird im einfachsten Fall an einer unter der Flüssigkeitsoberfläche befindliche Wandbohrung, durch die das Treibgas strömt und der dort in Kontakt stehenden Flüssigkeit gebildet. Eine Skalierung der Aerosolmenge zu größeren Partikelproduktionsraten ist leicht durch die Vergrößerung der Anzahl der Bohrungen, ihrer Durchmesser oder des Vordruckes des Treibgases möglich. Einschränkend muss die eventuelle Veränderung der Partikelgrößenverteilung bei der Skalierung berücksichtigt werden. Ein derartiger Düsentyp ist durch die Druckschrift
DE 198 21 552 C1 als Aerosolgenerator bekannt, wobei ein Übergang von einer größeren Anzahl von Bohrungen zu einem Ringspalt zur Erzielung von noch größeren Partikelproduktionsraten vorhanden ist.
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Durch die Druckschrift
DE 10 2012 203 011 A1 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Aerosols mit einer mit einem unter Druck stehenden Gas betriebenen Zerstäubungseinrichtung für eine sich in einem Behälter befindenden Lösung oder Suspension bekannt. Dazu ist der Zerstäubungseinrichtung eine Einrichtung zur Kühlung des Trägergases vorgeschaltet, so dass die Zerstäubungstemperatur größer als die Schmelztemperatur der Lösung oder Suspension und kleiner als die Raumtemperatur ist. Weiterhin ist der Zerstäubungseinrichtung eine Heizeinrichtung für das Aerosol aus dem Trägergas und der Lösung oder Suspension nachgeschaltet, so dass das Aerosol auf Raumtemperatur erwärmt wird. 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.
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Eine Klassierung von Partikeln in einem zu erzeugenden Aerosol mit diesen Partikeln ist in den Lösungen der genannten Druckschriften nicht vorgesehen.
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Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Erzeugung eines Aerosols aus einer flüssigen Vorlage so zu realisieren, dass auch eine einfache Klassierung der Partikel erfolgt.
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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 einer flüssigen Vorlage zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass bei Erzeugung des Aerosols gleichzeitig eine Klassierung der Partikel erfolgt.
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Dazu weist die Einrichtung eine Tröpfchen aus der flüssigen Vorlage in einem Reaktionsraum eines Behälters erzeugende Einstoffdüse auf. Weiterhin ist ein damit verbundener Ringspalt mit einer Ringspaltabsaugung zur Umleitung des Gasstroms vorhanden, so dass Partikel entsprechend ihrer Trägheit dem Gasstrom folgen oder zum Aerosolauslass der Einrichtung gelangen. Diese Umleitung führt zu einer Klassierung, die durch den Gasstrom bestimmt wird. In Flussrichtung der nicht durch die Ringspaltabsaugung abgesaugten Tröpfchen schließt sich eine Trocknung an, so dass sich Partikel ausbilden und/oder Partikel getrocknet werden.
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Die Einrichtung besitzt so eine Kombination eines Flüssigkeitskreislaufs zur Erzeugung eines primären Aerosols und eines nachgeschalteten Gasstromkreislaufs zur Klassierung der Tröpfchen und Bereitstellung eines sekundären Aerosols mit klassierten Partikeln. Ergebnis ist damit ein sekundäres Aerosol, dass für eine bestimmte Anwendung optimiert ist. Damit können kontrollierte Bedingungen einer Filterprüfung bezüglich des Aerosols eingehalten werden, wobei für jeden Aerosolparameter ein Vorgabewert und eine maximal zulässige Abweichung von diesem Vorgabewert festlegbar sind. Die Einrichtung stellt so einen Aerosolgenerator dar, der ein optimiertes sekundäres Aerosol zur Verfügung stellt.
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Der Gasstromkreislauf besitzt den Ringspalt mit der Ringspaltabsaugung zur Umleitung des Gasstroms, die eine Klassierung der Tröpfchen des mittels Verdüsung erzeugten primären Aerosols bewirkt. Die für die Verwendung des Aerosols unerwünschten kleinen Tröpfchen und der ansonsten durch Trocknung entstehenden oder vorhandenen kleinen Partikel werden im Kreislauf geführt und verlassen diesen Prozessschritt nicht. Ebenfalls das nahezu gesättigte Trägergas verlässt diesen Prozessschritt nicht. Vorteil ist, dass erstens das Trocknen der größeren Partikel, die an den nächsten Prozessschritt abgegeben werden, einfacher ist und zweitens der Wasseraustrag aus der flüssigen Phase proportional erfolgt. Dies ist dadurch gewährleistet, dass kein dampfförmiges Wasser den Prozessraum verlässt.
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Die großen Tröpfchen, die im Gasstrom nicht umgeleitet werden, werden durch einen laminaren Strom an trockenem Gas abtransportiert und dabei getrocknet. Das Trocknen ist dadurch erleichtert, dass sie von ihrem ursprünglichen Trägergas, welches dampfförmiges Wasser enthält, an der Stelle der Umleitung getrennt wurden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 7 angegeben.
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Der Behälter besitzt nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 die flüssige Vorlage und den darüber angeordneten Reaktionsraum für die Tröpfchen. Zur Erzeugung der Tröpfchen ist die flüssige Vorlage im Behälter über eine Fördereinrichtung mit einer Zerstäuberdüse im Reaktionsraum des Behälters verbunden ist. Damit ist eine kompakte Realisierung des Flüssigkeitskreislaufs gegeben.
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Der Ringspalt ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 über ein Gebläse zur Erzeugung einer Umluft mit dem Reaktionsraum des Behälters verbunden. Der ausgebildete Gasstromkreislauf ist so über den Reaktionsraum mit dem Flüssigkeitskreislauf verbunden.
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Die Trocknungskammer ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 ein Poren zum Durchtritt von Luft aufweisendes Rohrstück. Ein das Rohrstück umgebender Zuluftraum ist mit einem Zuluftgebläse verbunden. Weiterhin schließt sich in Flussrichtung der nicht durch die Ringspaltabsaugung abgesaugten Tröpfchen und ausgebildeten und/oder getrockneten Partikel der Aerosolauslass an. Der Neigung zu Wandablagerungen der Partikel an den Wänden des Rohrstücks kann durch eine impulsarme und laminare Zugabe der Trocknungsluft in der Art entgegengewirkt werden, dass der Partikelstrom auf der Rotationsachse des Rohrstücks wandfern konzentriert wird.
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Der Ringspalt ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 aus einem Rohr mit einer darin angeordneten Strömungsführung ausgebildet.
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Das Gebläse ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 mit einer Steuereinrichtung verbunden, so dass über den Gasstrom Luft mit Tröpfchen des Reaktionsraumes angesaugt und mittels der Ringspaltabsaugung entsprechend ihrer Trägheit klassiert werden.
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Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 weist die Einrichtung einen Flüssigkeitskreislauf mit der flüssigen Vorlage im Behälter, der Fördereinrichtung und der Zerstäuberdüse im Reaktionsraum über der flüssigen Vorlage im Behälter und einen davon unabhängigen Gaskreislauf mit dem Reaktionsraum im Behälter, dem Ringspalt, der Ringspaltabsaugung und dem Gebläse auf.
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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 1 eine Einrichtung zur Erzeugung eines Aerosols aus einer flüssigen Vorlage mit einer Klassierung der Partikel.
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Mittels der Einrichtung kann ein Aerosol, bestehend aus beispielsweise Salzpartikeln mit erhöhter Partikelgröße technisch günstig erzeugt werden.
Ein Zerstäuben einer Salzlösung ergibt luftgetragene Tröpfchen. Danach wird durch Zugabe von trockener Luft oder das Entfernen von Wasserdampf das Wasser von den Tröpfchen verdunstet, so dass sich aus dem Salz ein festes Partikel bildet.
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Die Tröpfchen werden durch eine Einstoffdüse als Zerstäuberdüse 9 erzeugt. Dazu verbindet eine Saugleitung 7 die flüssige Vorlage 17 mit der Fördereinrichtung 8 als Flüssigkeitspumpe, die weiterhin mit der Zerstäuberdüse 9 in einem Reaktionsraum 19 des Behälters 18 verbunden ist. Der Reaktionsraum 19 befindet sich über der flüssigen Vorlage 17. Im Reaktionsraum 19 werden größere Tröpfchen durch die Schwerkraft und Trägheit wieder in die flüssige Vorlage 17 abgeschieden, während dessen mittlere und kleine Tröpfchen im Reaktionsraum 19 in Schwebe sind. Damit ist ein Flüssigkeitskreislauf realisiert, wobei durch das so druckgaslose Erzeugen ein bezogen auf den Ausgang des Reaktionsraumes 19 volumenstromneutraler Kreislauf für die flüssige Vorlage 17 im Behälter 18 erreicht werden kann.
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Ein davon unabhängiger Gaskreislauf weist einen Ringspalt 2 und eine Ringspaltabsaugung 3 auf, die weiterhin mit dem Reaktionsraum 19 verbunden ist. Dabei werden Tröpfchen des Reaktionsraumes 19 angesaugt, wobei Tröpfchen durch den Ringspalt 2 gelangen. Der Ringspalt 2 besteht dazu aus einem Steigrohr 1, in dem eine Strömungsführung 10 angeordnet ist. Im gegenüber dem Reaktionsraum 19 oberen Bereich des Ringspalts 2 befindet sich eine Öffnung 3 als Ringspaltabsaugung 3, an die sich nacheinander eine Absaugkammer 4, ein Gebläse 5 und eine Umluftleitung 6 zum Reaktionsraum 19 anschließen. Mittels des Gebläses 5 kann der Druck zur Absaugung eingestellt und/oder gesteuert werden. Der so realisierte Gaskreislauf hat nur die eine Öffnung beim Übergang des Ringspalts 2 zu einer nachgeordneten Trocknungskammer 12. Der Volumenstrom, der mittels der Ringspaltabsaugung 3 angesaugt wird, ist identisch mit dem Volumenstrom, der in die Trocknungskammer 12 gelangt. An der Übergangstelle zwischen dem Ringspalt 2 und der Ringspaltabsaugung 3 tritt somit kein Gas aus, da das System ansonsten dicht nach der Umgebung der Einrichtung ist. Der Gaskreislauf kann unabhängig vom Flüssigkeitskeislauf geregelt werden.
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Wird der Gaskreislauf in Funktion gesetzt, werden Tröpfchen aus dem Reaktionsraum 19 durch die Ringspaltabsaugung 3 in den Ringspalt 2 angesaugt. An der Übergangsstelle in Form der Öffnung des Ringspalts 2, wird der Gasstrom scharf umgelenkt, nur kleine Tröpfchen können dem folgen. Über die Absaugkammer 4, das Gebläse 5 und die Umluftleitung 6 gelangen diese wieder in den Reaktionsraum 19, so dass für diese ein Kreislauf besteht, den sie nicht verlassen können. Die großen Tröpfchen werden von ihrem Trägergasstrom getrennt, da sie der Umlenkung nicht folgen können und werden durch ihre Trägheit bis in Trocknungskammer 12 bewegt. Dort wird trockene Luft über ein Zuluftfilter 16, ein Zuluftgebläse 15 und einen Sinterkörper als Rohrstück 11 mit Poren zum Durchtritt der Zuluft hinzugefügt. Durch die trockene Luft verdunstet das Wasser der Tröpfchen und es bilden sich feste Partikel des Salzes heraus. Die trockene Luft wird dabei mittels des Sinterkörpers laminar zugegeben, so dass die Trocknungsluft die Partikel in der Trocknungskammer 12 wandfern hält, um unerwünschte Ablagerungen zu vermeiden. Der Sinterkörper ist dazu von einer Zuluftkammer 14 umgeben, die mit dem Zuluftgebläse 15 verbunden ist. Damit steht das Aerosol mit den Partikeln am Ausgang 13 der Einrichtung zur Verfügung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Steigrohr
- 2
- Ringspalt
- 3
- Ringspaltabsaugung
- 4
- Absaugkammer
- 5
- Gebläse
- 6
- Umluftleitung
- 7
- Saugleitung
- 8
- Fördereinrichtung
- 9
- Zerstäuberdüse
- 10
- Strömungsführung
- 11
- Rohrstück
- 12
- Trocknungskammer
- 13
- Ausgang
- 14
- Zuluftkammer
- 15
- Zuluftgebläse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19821552 C1 [0013]
- DE 102012203011 A1 [0014]
