DE3518646A1

DE3518646A1 - Fluessigkeitszerstaeuber

Info

Publication number: DE3518646A1
Application number: DE19853518646
Authority: DE
Inventors: Karl 6382 Friedrichsdorf Flögel; Rudolf 6277 Bad Camberg Großbach; Wolfgang 6100 Darmstadt Heide; Martin Dipl.-Phys. 7441 Grafenberg Junger; Ernst-Günter 6131 Schwalbach Lierke
Original assignee: Battelle Institut eV
Current assignee: Battelle Institut eV
Priority date: 1985-05-23
Filing date: 1985-05-23
Publication date: 1986-11-27
Also published as: EP0224521B1; DK34987A; DK34987D0; DK161622C; WO1986006985A1; ES8704090A1; ATE41326T1; ES555285A0; JPS63500224A; DK161622B; EP0224521A1; DE3662338D1; US4798332A

Description

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft einen Flüssigkeitszerstäuber mit einem Ultraschal1-Anregüngssystem und einem hierin mit gekoppelten, schmalen Biegestreifen, auf dem bei Anregung mehrere dicht aufeinanderfolgende, im wesentlichen parallele Knotenlinien erzeugbar sind.

Bei konventionellen Ultraschall-Kapillarwellenzerstäubern erfolgt die Vernebelung durch Tropfenabschnürung aus einem stehenden Kapillarwellengitter mit schachbrettartig angeordneten Knotenlinien, das sich auf einem dünnen, von einer schwingenden Festkörperfläche angeregten Flüssigkeitsfilm an der flüssig/gasförmigen Phasengrenze ausbildet. Die Zerstäubung erfordert eine von der Freguenz und verschiedenen Flüssigkeitsparametern abhängige Anregungsamplitude der schwingenden Festkörperoberfläche und eine geeignete Dicke des Flüssigkeitsfilms. Bei zu dünnem Film können sich keine Tröpfchen ausbilden, bei zu dickem Film werden durch Dämpfung in der Flüssigkeit keine effektiven Kapillarwellen angeregt.

Hohe Zerstäuberleistungen und feine Tröpfchen lassen sich, unabhängig von den Flüssigkeitsparametern, mit Biegewellenzerstäubern erreichen. Bekannt ist z. B. ein Zerstäuber mit einem Biegeresonator, der in Form eines länglichen, schmalen Streifens ausgebildet ist, auf den sich bei Ultraschallanregung mehrere parallele Knotenlinien bilden (DE-OS 31 12 340). Bei diesen Vorrichtungen werden formstabile und steife Titan-Blechstreifen von 1 bis 2 mm Dicke, 1 bis 2 cm Breite und 20 cm bis 2 m Länge eingesetzt. Die Anregung erfolgt durch einen piezoelektrischen Stufen-Konzentrator, 35

in der Regel von der Mitte des Biegestreifens. Die zu vernebelnde Flüssigkeit wird durch ein perforiertes Rohr ober- oder unterhalb des Biegestreifens mit Austrittslöchern an die Knotenstellen der Wan.dlerschn.elleamplitude zugeführt.

Der wesentliche Nachteil dieser Anordnung resultiert daraus, daß die Wandler bei Biegewellenlängen?V,, die größer als die Schallwellenlänge Λ in Luft sind, sehr intensive Schallwellen in Luft abstrahlen und zwar unter einem Winkel oC/gegen die Flächennormale:

cos cA = λ ,.

°/λ_Β

Die hohen Schallpegel in dieser Richtung sind stark störend und entziehen dem Wandler unnötigerweise Energie. Ferner reicht die Eigensteifigkeit des Biegeresonators bei weitem nicht aus, um den Wandler exakt parallel zum perforierten Flüssigkeitszuführungsrohr zu halten. Würde man solche Biegewandler mit Formstabilität mechanisch fixieren, so würde die Linearität der Zerstäubung beeinträchtigt werden. Ferner müsste die Fixierung exakt an den Schnelleknoten erfolgen, da sonst die Resonanzschwingung gestört wäre. Prinzipiell ist bei solchen relativ dicken Biegeschwingern außerdem die Zerstäubung nicht homogen genug, da bei großem Abstand zwischen den parallelen Knotenlinien im Bereich der Knoten keine Vernebelung stattfindet. Die Resonanzfrequenzen eines solchen langen Biegestreifens sind noch gut direkt voneinander abgesetzt. Z. B. bei 30 kHz und einem 1 m langen 2 mm dicken Titan-Blechstreifen beträgt der Abstand zwischen zwei benachbarten Resonanzen etwa 30 0 Hz. Es ist schwierig, diese

Resonanz genau einzuhalten, andererseits verschieben sich bei Änderungen, z. B. Temperatureinflüsse, die Knotenlagen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Biegeschwinger zu entwickeln, mit dem unter erheblicher Leistungsersparnis am Generator eine homogene und dichte Nebelverteilung ermöglicht wird.

TO Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Biegestreifen eine geringe Dicke aufweist und seine Formstabilität durch mindestens eine mechanische Halterung hergestellt ist- Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Erfindungsgemäß wird anstelle des massiveren Biegestreifens mit Eigensteifigkeit ein dünner Biegestreifen eingesetzt. Die Stärke des Streifens beträgt vorzugsweise weniger als 1 mm, insbesondere 0,3 bis 0,9 mm. Zur Anregung wird der Streifen mit dem Stufenkonzentrator in an sich bekannter Weise, z. B. durch Schraubverbindung, gekoppelt. Die Formfestigkeit, vor allem in Längsrichtung, ergibt sich durch eine mechanische Halterung, die gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform zum Vorspannen des Streifens dient. Sowohl die Position der Halterung, als auch der Grad an Vorspannung können variiert werden. Der Biegestreifen wird vorzugsweise linear eingespannt , wobei er an einem Ende mit dem Stufenkonzentrator und an dem anderen Ende mit der Vorspanneinrichtung verbunden ist. Ein-e exakte Knotenlage am Ende des Wandlers, d, h. außerhalb der nebelnden Zone des Zerstäubers, ermöglicht die gleichmäßige Zerstäubung auf praktisch der gesamten Wandlerlänge mit Ausnahme der beiden Endabschnitte.

Der Wandler kann über eine größere Länge als es bisher möglich war exakt parallel zum Flüssigkeitszuführungsrohr ausgerichtet werden. Da die benachbarten Biegewellenknoten dichter nebeneinander liegen, kann eine gleichmäßigere Zerstäubung erzielt werden und eine genaue Ausrichtung der Flüssigkeitszuführungslöcher relativ zu den Knoteniinien wird überflüssig. Aus diesem Grunde kann z. B. auch ein Zuführungsrohr mit einem Längsschlitz zum Flüssigkeitsaustritt eingesetzt werden, wobei der Kapillarspalt.zwischen Schlitz und Biegestreifen vorzugsweise mit einem Filz oder dergleichen versehen sein kann.

Bei geringer Blechstärke d von weniger als 1 mm ist die Biegewellenlänge 7\ wesentlich kleiner, da Λ. proportional zu Vd ist. Dadurch strahlt der Biegewandler nicht mehr mit scharfer Richtcharakteristik Luftschall in die Umgebung ab, der nicht zur Zerstäubung beiträgt. Dadurch kann außerdem erhebliche Leistung am Generator eingespart werden.

Durch die geringen Frequenzabstände zwischen benachbarten Biegeresonanzen ist der lange Biegewandler (Länge 1) praktisch permanent in Resonanz; da der Frequenzabstand Af wegen f ^ 2. \T~d proportional zu der Blechdicke d ist. Eine Änderung zwischen benachbarten Resonanzen, was auf die Knctenlagen an den Endpunkten des Wandlers keinen Einfluß hat, wird vom Generator praktisch nicht wahrgenommen; ein leichtes Wobbein der Anregefrequenz läßt die dichtliegenden Knotenpositionen praktisch zum Verschwinden bringen. Auch dadurch wird eine wesentlich, gleichmäßigere lineare Zerstäubung erzielt·

SAD ORfGJNAL

Bei dünnen Biegeblechen von weniger als 0,5 mm Dicke aus hochohmigen Metallen und Legierungen, z. B. Titan oder Speziallegierungen wie hochwarmfester sonderlegierter Federstahl kann der Biegeblechstreifen mittels

s Stromdurchgang vorgeheizt werden. Auf diese Weise lassen sich zähe Flüssigkeiten, deren Viskosität bei höheren Temperaturen stark abnimmt, im vorgeheizten Zustand zerstäuben. Dadurch wird auch eine effektive Zerstäubung von niederschmelzenden Metallen ermöglicht.

Die Biegestreifen müssen nicht linear gespannt sein, sondern können auch zu einem Ring oder in jeder beliebig anderen Form gebogen, für den speziellen Fall eingesetzt werden. Um die statische Biegebelastung durch die Formänderung zu eliminieren, kann der Streifen in der speziellen, für das Einsatzgebiet notwendigen Gestalt bzw. Krümmung thermisch ausgehärtet werden. So kann z. B. hochwarmfester sonderlegierter Federstahl in 2 Stunden bei 4 50 "C in Edelgasatmosphäre ausgehärtet werden.

Die Erfindung wird anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen

Zerstäubers;

Fig. 2 eine mögliche Ausrichtung der Flüssigkeitszuführung zu dem linearen Biegeresonator und 30.

Fig. 3 eine Ausführungsform für die Zerstäubung in einer Zerstäubungskammer·

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 wird ein schmaler

Biegestreifen 1, der so dünn ist, daß er keine Eigensteifigkeit in Längsrichtung besitzt, einerseits mit dem Stufenkonzentrator 2 und andererseits mit einer Vorspanneinrichtung 3 verbunden. Dabei kann der Biegestreifen 1 durch die axiale Schwingung des Stufenkonzentrators angeregt werden. Der Biegestreifen ist senkrecht zu der Achse des Anregungssystems 2 angeordnet. Durch Verschieben der Endarretierung auf einem Spannrahmen mit Zwischenelementen kann man praktisch die Länge des Zerstäubers durch einfaches Austauschen des Biegestreifens 1 verschiedener Länge in weiten Grenzen variieren. Der Biegestreifen 1 kann aus Bandmaterial hergestellt werden.

Die Flüssigkeitszuführung wird in Fig. 2 durch ein Rohr

4 gewährleistet, das parallel zu dem Biegestreifen 1 ausgerichtet ist. Wegen der Knotenliniendichte auf dem Biegestreifen, kann die Flüssigkeit durch einen Schlitz

5 kontinuierlich und linear durchgehend zugeführt werden. ^O Zur Erzeugung der Kapillarzuführung kann der Schlitz 5 mit geeignetem porösen Material 6 versehen sein, z. B. Filz, Fasern od. dgl..

Es zeigt sich, daß Flüssigkeiten, deren Viskosität durch Abdampfen von Lösungsmittelkomponenten ,während der Zerstäubung stark ansteigt, mit Biegewellenzerstäubern nur schwer zerstäubt werden können. Es bildet sich allmählich auf dem Wandler ein Rückstand, unter Umständen aus Suspensionsteilchen, klebrigen Bestandteilen oder .50 kristallisierenden Komponenten aus. Dieser Rückstand beeinträchtigt die Schwingungseigenschaften des Biegewandlers. Es wird vorgeschlagen, das Abdampfen von Lösungsmittelkomponenten dadurch zu verhindern, daß der Zerstäuber gemäß Fig. 3 einem horizontalen Rohr 7 mit

Nebelauslaßschlitz 8 betrieben wird. Am Boden des Rohres 7 wird aus einem Lösungsmittel-Sumpf 9, der unter Umständen beheizt sein kann, genügend Lösungsmitteldampf erzeugt, so daß sich um den Zerstäuber ein Sättigungs-_D zustand einstellt. Verdampfung erfolgt dann erst nach der Zerstäubung beim Nebelaustritt aus dem Öffnungsschlitz 8 des Rohres

Bei dieser Ausführungsform wird die Flüssigkeit aus einem Reservoir 10 über Pumpe 11 zur Flüssigkeitszuführung 12 und dem Biegestreifen 1 geführt. Durch geeignete Einstellung der Blenden 13 kann die Nebelaustrittsöffnung des Rohres 7 so reguliert werden, daß nur der Anteil feinster Tröpfchen durch den Schlitz 8 heraustritt. 15

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Claims

394-46/45/84 25. April 1985 CASCH/BES BATTELLE-INSTITUT E.V., Frankfurt/Main Flus sigkeitszerstauber Patentansprüche

1. Flüssigkeitszerstäuber mit einem Ultraschal1-Änregungssystem und einem hiermit gekoppelten schmalen Biegestreifen, auf dem bei Anregung mehrere dicht aufeinanderfolgende, im wesentlichen parallele Knotenlinien erzeugbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegestreifen (1) eine vergleichsweise geringe Dicke aufweist und seine Formstabilität durch mindestens eine mechanische Halterung (3) hergestellt ist.

2. Flüssigkeitszerstäuber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß ein Ende des Biegestreifens (1) mit dem Ultraschall-Anregungssystem (2) gekoppelt und das andere Ende mechanisch gehaltert ist.

3. Flüssigkeitszerstäuber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegestreifen (T) in Längsrichtung gehaltert ist.

4. Flüssigkeitszerstäuber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische

Halterung als eine Vorspanneinrichtung (3) ausgebildet 35

ist, durch die eine beliebige Vorspannung auf dem Biegestreifen (1) einstellbar ist.

5. Flüssigkeitszerstäuber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Position der mechanischen Halterung (3) variierbar ist.

6. Flüssigkeitszerstäuber nach einem der Ansprüche T bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegestreifen (1) austauschbar ist.

7. Flüssigkeitszerstäuber nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegestreifen (1) aus einem hochohmigen, mittels Stromdurchgang heizbaren metallischen, warmfesten Material besteht.

8. Flüssigkeitszerstäuber nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegestreifen (1) in einem seiner Form entsprechenden Rohr (7) angeordnet ist, daß im Bereich der vernebelnden Zone des Biegestreifens (1) mit einem Nebelaüslaßschlitz (8) versehen ist.

9. Flüssigkeitszerstäuber nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Nebelauslaß-Schlitzes (8) variierbar ist.

ORIGINAL !WSFECTED