DE2256500A1

DE2256500A1 - Vorrichtung zum vernebeln und/oder verdampfen einer fluessigkeit in einem gasstrom

Info

Publication number: DE2256500A1
Application number: DE2256500A
Authority: DE
Inventors: Hermann J Schladitz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1972-11-17
Filing date: 1972-11-17
Publication date: 1974-06-06
Also published as: FR2206972B1; GB1443346A; SE395615B; US3943221A; DE2256500C3; FR2206972A1; JPS49135441A; DE2256500B2; JPS5635908B2; IT999394B

Description

I'.J. Schladitz, München CO, PläntüchvxeE 7" ¹I

Vorrichtung zur? Vernebeln und/oder Verdampfen einer Flüssigkeit in einem Gasstrom

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Vernebeln und/bder Verdampfen einer Flüssigkeit in einem Gasstrom, die einen porösen Körper aufweist, der von dem Gasstrom durchstror.it und von der Flüssigkeit benetzt ist.

Auf vielen Gebieten der Technik besteht die Aufgabe, einen Gasstrom mit einer Flüssigkeit zu beladen, wobei in manchen Fällen ein Vernebeln, also ein Zerreißen der Flüssigkeit in möglichst kleine Tröpfchen, ausreicht und in anderen Fällen eine überführung der Flüssigkeit in Dampfforra gefordert wird. Bekannte Anwendungsgebiete sind Luftbefeuchtungsanlagen, mit denen die Luftfeuchtigkeit in gewerblichen oder V.'ohnräumen, Gewächshäusern und dergleichen insbesondere während der Heizperiode auf einem bestimmten Wert gehalten wird. Ein anderes Anwendungsgebiet betrifft die Aufbereitung von Kraftstoff-Luftgemischen bei Brennkraftmaschinen, wo es wünschenswert ist, die relativ großen Kraftstofftröpfchen in dem im Vergaser gebildeten Kraftstoff-Luftgemisch zu vernebeln und gegebenenfalls zn verdampfen. Zu diesem Zweck ist es bekannt, zwischen Vergaser und Brennraum einen gegebenenfalls heizbaren Filter anzuordnen.

Ein derartiger poröser Körper soll ein großes Porenvolumen aufweisen, um den Strömungswiderstand klein zu halten. Die innere Oberfläche des porösen Körpers soll ebenfalls groß sein, da beste Ergebnisse dann erzielt werden, wenn nur die Oberflächen der die Poren begrenzenden Wände mit Flüssigkeit benetzt sind und bei einer großen inneren Oberfläche beträchtliche Flüssigkeitamengen von dem Gasstrom mitgenommen werden können/

409823/0946

Schließlich muß ein solcher poröser Körper eine höhe mechanische Festigkeit aufvieisen, damit er von dem Druck des GaB~ Stromes nicht zv.sarrüiengedrückt wird und seine Poren mehr oder weniger verschlossen werden. Schließlich soll der poröse Körper eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen, um die Vernebelung oder Verdampfung der Flüssigkeit durch Entnahme «on Wärme aue dem Oasstrom oder aus der Umgebung zu verbessern oder gegebenenfalls eine elektrische Beheizung zu ermöglichen.

Die bekannten porösen Körper erfüllen die genannten Forderungen nur unvollständig. Geschäumte Stoffe, insbesondere solche auf Kunststoffbasis, haben eine zu geringe Festigkeit und eine schlechte Wärmeleitfähigkeit. Aus gesinterten Metallpulver bestehende poröse Körper haben zwar eine verhältnismäßig hohe Festigkeit, jedoch nur ein relativ geringes Porenvolumen von maximal etwa 4O£. Ar. weitesten entspricht den genannten Forderungen ein bekanntes elektrisches Heizelement, das aus einem hochporösen Skelett aus einer Vielzahl von metallisch miteinander veroundenen polykristallinen Metallwhiskern besteht, das von dem bu erhitzenden Medium durchströmt und voraugsweise durch direkten Stromdurchgang erhitzt wird. Dieses Element kann im Prinzip auch ohne Erhitzung für die Vernebelung oder Verdampfung von Flüssigkeiten in eines Oasstrom verwendet werden, da es einerseits ein hohes Porenvolumen und andererseits eine hohe Festigkeit aufweist. Derartige polykristalline Metallwhieker (siehe beispielsweise "Zeitschrift für Metallkunde" Band 59 (1?68), Heft 1, S.l8 bis 22) zeichnen sich durch " eine sehr hohe Festigkeit aus und sie können daher in Dicken von wenigen /um bis unter 1 um zu einem Skelett verarbeitet werden, das den auftretenden Strömungsdrücken ohne weiteres standhält. Dieses bekannte Element besteht aus einer Matte oder einem Filz aus ungerichteten Whiskern, die durch Metall- · abscheidung aus der Gasphase, durch elektrolytieehe oder

-■ 3 -

409823/0946

stromlose MetallabBcheidung, durch Sintern, Haißverpressen, Elektronenstrahlschweißen, Ultraschallschweißen oder andere Verfahren metallisch miteinander verbunden sind. Ein derartiges Element hat jedoch für manche Ahwendungsfälle einen zu hohen Strömungswiderstand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen porösen Körper zu schaffen, der die vorstehend erwähnten Forderungen im höchstmöglichen Maße erfüllt und gegenüber dem letztgenannten Heiaelement «inen geringeren Strömungswiderstand aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der poröse Körper aus einer Vielzahl von im wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung des Gases ausgerichteten, hochporösen Zeilen besteht* die von miteinander verbundenen polykristallinen Metallwhiskerh oder metallisierten Nichtmetall-Whiskern gebildet sind, wobei die Zeilen zwischen sich Kanäle für den Durchtritt des Oases bilden.

Durch die Ausrichtung der Zeilen parallel zur Strömungsrichtung des Gases kann eine Wirbelbildung in dem Gasstrom, die bei ungeordneten Whiskern unvermeidlich ist, weitgehend vermieden werden. Aufgrund der Ausrichtung der Whisker und des hohen Porenvolumens des erfindungsgemäßen porösen Körpers, das ohne weiteres 92Ϊ des Gesamtvolumens betragen kann, findet nur eine Benetzung der einzelnen Whiskerzeilen mit dar Flüssigkeit statt. Dieser dünne Film wird von dem Gasstrom mitgerissen, wobei eine Vernebelung und in vielen Fällen selbst ohne Beheizung eine Verdunstung, also eine Verdampfung der Flüssigkeit eintritt. Von wesentlicher Bedeutung für diese Wirkung ist die Ausbildung der Whiskerseilen, die aus einer Vielzahl von einzelnen im wesentlichen parallel zueinander und teils hinter-, teils nebeneinanderliegenden Whiskern bestehen und damit eine sehr große Oberfläche haben. Diese Whiekersei-

4Q9823/0946

len sind in sich selbst wiederum porös und geben die durch Kapillarwirkung in die Poren eingedrungene Flüssigkeit ständig an den außen vorbeistreichenden Gasstrom ab. Dieser Vorgang tritt nicht nur ein, wenn, wie beispielsweise bei Luftbefeuchtungsanlagen, Wasser auf den porösen Körper aufgetropft wird, sondern auch dann, wenn die Flüssigkeit dem Gasstrom schon vorher in Form von mehr oder weniger großen Tröpfchen beigegeben wurde, wie dies bei der vorher erwähnten Anwendung im Ansaugsystem einer Brennkraftmaschine der Fall ist.

Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen porösen Körpers können die Whiekerzeilen mit Hilfe eines homogenen Magnetfeldes parallel zueinander ausgerichtet und in diesem Zustand miteinander verbunden werden.

Polykristallin· Metallvhisker haben im Gegensatz cu Einkristall- Whiekern, sog. Padenkrietallen, aufgrund ihrer polykristallinen Struktur an sich eine relativ zerklüftete Oberfläche, woduroh die innere Oberfläche dee erfindungagemäßen porösen Körpers erheblich größer ist als der errechnete Wert, dem nur Whisker mit glatter Oberfläch· eugrundegelegt werden können. Diese innere Oberfläch· kann noch vergrößert werden, wenn man Metall- oder Nichtmetall-Whisker verwendet, deren Oberfläch· durch speziell« Maßnahmen ein· außergewöhnliche Rauhigkeit Verliehen wurde, beispielsweise durch entsprechend gesteuertes Abscheiden von Metall aus der Gasphase.

Wie vorher erwähnt,ist eine gut· Leitfähigkeit des porösen Körpers vorteilhaft für eine schnelle Vernebelung oder Verdampfung der Flüssigkeit. Demzufolge sollen nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung für den porösen Körper Whisker verwendet werden, die zumindest teilweise aus einem oder mehreren der Metalle Eisen, Nickel, Aluminium, Kupfer oder Silber bestehen. Da. polykristalline Metallwhiskcr durch Abschei-

- 5 -409823/0946

den von Metallen aus thermisch «ersetzbaren Metallvarbindungen erzeugt werden, iat es möglich, dem jeweiligen Anwendungsfall angepaßte Whisk«? ssu suchten.

um eine Verdampfung der Flüssigkeit su erleichtern oder unter Umständen überhaupt erst eu ermöglichen, kann es zweckmäßig sein, den porösen Körper zu beheizen, z.B. in bekannter Weise mit Elektroden zwacke Erhitzung durch direkten Stromdurehgang zu versehen oder innerhalb einer Induktionsspule anzuordnen. Da der elektrische Widerstand von aus polykristallinen Netallwhlskcrn bestehenden Körpern relativ niedrig ist, kann es sweckm£&ig sein, den porösen Körper aus einer Mehrzahl von elektrisch hintereinandergeschalteten Teilelementen oder aus einem spiralförmig aufgewickelten Band zu bilden, wobei der StromanschluA am inneren und aa ttußeren Ende der Spirale erfolgt*

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Besehreibung in Verbindung mit den Belohnungen, in denen einige ÄtiefUhrungebeispiele der Erfindung dargestellt sind. Es zeigt:

Fig. 1 eine beispielsweise zur Luftbefeuchtung dienende er-

findungsgemtße Vorrichtung im Sehnitt in schematischer Darstellung,

Fig. 2 ein· Teilansieht des in der Vorrichtung gemäß Fig. 1 enthaltenen porösen Körpers in stark vergrößertem Maßste.b,

Fig. 3 eine Teilansieht einer Whiskerzeile des in Flg. 2 gezeigten porösen Körpers in nochmals vergrößertem MaA-etab,

Fig. l) eine Teilansioht. eines Ein&elwhiskers in weiter vergrößertem Maßstab, und

- 6 -409823/0946

Pig. 5 eine scliematische Teilanaieht des Ans&ugsystems einer

Brennkraftmaschine mit exner erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Aufbereitung dee KVaftatofx-Luftgemischea.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einer Luftbefeuchtungsanlage, die aus einem Rohr,1 besteht, das von der zu befeuchtenden Luft durchströmt wird. In dem Rohr 1 ist ein poröser Körper 2 eingesetzt, der aus einer Vielzahl von Zeilen 3 aus metallisch miteinander verbundenen, polykristallinen Metallwhiskern besteht. Diese Zeilen 3 liegen, wie Fig. 2 zeigt, im wesentlichen parallel zueinander und zu der durch die Pfeile ή veranschaulichten Strömungcrichtung der Luft.

Jede Whiskerzeile wird von einer Mehrzahl von einzelnen polykristallinen Whiskern oder Whisker-BündeIn gebildet, die iich in einem homogenen Magnetfeld zu den tue Flg. 2 ersichtlichen Zeilen formen, wobei ihr· Enden nicht stumpf.aneinander stossen, sondern eich Überlappen, wie in Fig. 3 gezeigt. Damit ergibt eich ein· verhÄltniemÄßig zerklüftet· Oberfläche für Jede Whiskerceile. Da Auch die Whisker selbst, wie in Fig. H dargestellt, eine sehr g«s««kt· Oberfläche haben können, 1st dl« gesamt· innere und äu&tr· Oberfläche jeder Whisk»r»il· entsprechend groß. Die Verbindung der eine Zeile bildenden Whisker oder Whiskerbündel erfolgt vorzugsweise durch Abscheidung eines Metalls aus der Gasphase, also beispielsweise durch thermische Zersetzung eines Metallcarbonyle. Das gleiche Verfahren kann angewandt werden, um die Whiskereeilen 3 miteinander und gegebenenfalls an einer oder beiden Stirnflächen mit einer porösen Platte 5 zu verbinden. Die Whisker können einen Durchmesser von wenigen un bis unter 1 um haben. Die Dicke der die Whisker verbindenden Metallabscheidung liegt vorzugsweise unter 1 um. Diese Metallabscheidung wird so gesteuert, daß in den einzelnen Whiskerzeilen offene Poren verbleiben.

409823/0946

ßAD ORIGINAL

Obgleich die Whiskerseilen 3 sehr dicht gepackt sind und der poröse Körper 2 den Eindruck eines relativ kompakten Körpers macht, läßt eich ein Porenvolumen von über 9OJi erreichen. Durch die Ausrichtung der Whiskerzailen 3 parallel zur StrÖ-mungsriehtung 4 der Luft ist der Strömungswiderstand außerordentlich gering.

Zur Luftbefeuchtung wird in das Rohr 1 stromaufwärts des porösen Körpers 2 Wasser durch eine Brause 6 zugegeben. Die Waasertropfen werden durch einen porösen Einsatz 7, der vor dem porösen Körper 2 angeordnet ist und aus einem relativ groben Whisker-Skelett bestehen kann, auf der Stirnfläche θ des porösen Körpers 2 verteilt und durch Kapillarwirkung in die Zwischenräume 9 zwischen den einzelnen Whiskerseilen 3 sowie in die Poren zwischen den Whiskern hineingezogen. Dabei findet praktisch eine völlige Benetzung aller Whisker der Whiskerzeilen 3 statt. Die den porösen Körper 2 durchströmende Luft nimmt den auf der Oberfläche der Whiekerzeilen 3 entstandenen Wassex'film unter Vernebelung und teilweise? Verdampfung desselben mit und saugt gleichzeitig auch in den Poren der Whiskerseilen 5 befindliches Wasser als Nebel oder Dampf ab. Der aus eiern porösen Körper 2 austretende Luftstrom ist mit Wasserdampf und mit äußerst feinen Wassertröpfchsn beladen.

Da die polykristallinen Metallwhiaker und damit die Whiskerzeilen 3 sine außerordentlich hohe Festigkeit haben, besteht auch bei hohen Itröraungsdrücken keine Gefahr, daß der poröse Körper 2 zutsamwingedrückt wird. Es kann dann lediglich der Pail eintreten, daß die Luft nicht nur durch die Zwischenräume 9 zwischen ösn Whiskerzeilen 3 strömt, sondern auch direkt durch die Pörfcn der einseinen Whisker-zeiien 3· Dies ist jedoch für die Wirkungsweise der Vorrichtung eher von Vorteil.

409823/0946

BAD ORlGiNAL

Fig. 5'Zeigt eine sebe^ctische TeilanE.ieht des Anaaugeystems einer Brennkraftmaschine mit einen vergaser 10, in dessen Venturi 11 in üblichar Weise sine iraftstoffdüse 12 angeordnet ist, aus welcher der Kraftstoff von c-em durchströmenden Luftstrom mitgerissen wird. Das Kraftstoff-Luftgemisch durchströmt darauf einen im Ansaugrohr 13 angeordneten Einsatz 14, der in diesem Ausführungsbeispiel aus zwei in Strömungsrichtung hintereinar.derliegenden porösen Körpern 15 und 16 besteht, die jeweils prinzipiell in der gleichen Weise aufgebaut sein können wie der poröse Körper 2 in Fig. 1· Die in dem durchtretenden Kraftstoff-Luftgemisch enthaltenen relativ großen Kraftstofftröpfchen werden beim Durchgang durch den porösen Einsatz l'l nicht nur zerkleinert, sondern zum Teil auch durch die Kapillarwirkung in die Poren der Whiskerzeilen hineingezogen und von dort als Dampf oder Nebel wieder an den vorbeistreichenden Luftstrom abgegeben. Das aus dem porösen Körper 14 austretende Kraftstoff-Luftgemisch zeichnet sich durch einen hohen Gehalt an Kraftstoffdanipf und feinsten Kraftstofftröpfchen aus. Diese Wirkung kann noch verstärkt werden, wenn der poröse Einsatz 14 beheizt wird, was z.B. dadurch erreicht werden kann, daß dieser in wärmeleitender Verbindung mit einem Wärmeträger, beispielsweise dem erwärmten Kühlwasser oder Schmieröl der Brennkraftmaschine oder vom Auspuffeystem aufge-. heizter Luft steht oder elektrisch beheizt wird. In diesem Ausführungsbeispiel ist zwischen den porösen Körpern 15 und 16 eine Heizschlange 17 angeordnet, die entweder einen elektrischen Heizdraht aufnimmt oder von einem flüssigen Wärmeträger durchströmt wird.

Die Erfindung int nicht auf die dargestellten AusfühniSgsbeispiele und die besonders erwähnten Anwendungsgebiete beschränkt.

- Patentansprüche -

409823/0946

BAD ORIGINAL

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zum Vernebeln und/oder Verdampfen einer Flüssigkeit in einem Gas8trom, mit einem porösen Körper, der von dem Gasstrom durchströmt und von der Flüssigkeit benetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse Körper (2-; 15*16) aus einer Vielzahl von im wesentlichen parallel zur Strönungsrichtung (4) des Oases ausgerichteten, hochporösen Zeilen (3) besteht, die von miteinander verbundenen polykristallinen Metallwhiskern oder metallisierten Nichtmetall-Whiskern gebildet sind, wobei die Zeilen (3) zwischen »ich Kan&le (9) für den Durchtritt des Gases bilden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung von Whiakern mit zerklüfteter Oberfläche.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Verwendung von Whiskern, die zumindest teilweise aus einem oder mehreren der Metalle Eisen, Nickel, Aluminium, Kupfer oder Silber bestehen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Strönungsrichtung (4) des Gases vor dem porösen Körper (2) ein poröser Einsatz (7) mit größeren Poren vorgesehen ist, der die Flüssigkeit auf der Stirnfläche des porösen Körpers (2) verteilt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse Einsatz (7) von einem groben Skelett aus ungerichteten polykristallinen Metallwhiskern gebildet ist.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse Körper (15> 16) beheizt ist.

409823/0946

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse Körper aus üwsi Elementen (15,16) gebildet ist, Zwischen denen eine Heizschlange (17) angeordnet ist.

8. Verfahren zur Bestellung eines porösen Körpers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Magnetfeld die Whisker zellenförmig ausgerichtet und diese Whiskerzeilen parallel zueinander gerichtet und dann zur Bildung des porösen Körpers miteinander verbunden werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Whisker zu Zeilen and die Zeilen untereinander durch Abscheidung eines Metalls durch thermische Zersetzung einer Metallverbindung verbunden werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallverbindung ein Metallcarbonyl ist.

409823/0946