DE3901674A1 - Vorrichtung und methode zum verspruehen von fluessigen materialien - Google Patents

Vorrichtung und methode zum verspruehen von fluessigen materialien

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Methode und Vorrichtung zum Versprühen oder Atomisieren (Zerstäuben) von flüssigen Materialien und insbesondere auf eine Methode zum Atomisieren einer Flüssigkeit, so daß eine gleichmäßige Tropfenverteilung über eine bestimmte Querschnittsfläche entsteht.
Flüssigkeiten wurden durch eine Vielzahl von Mitteln in Tropfen umgewandelt, wobei die gebräuchlichste Methode das Zerteilen (Scheren) eines Flüssigkeitsstromes darstellt. Das Scheren wiederum kann auch durch mehrere Methoden erzeugt werden. Die Teilchengrößenverteilung der resultierenden atomisierten Tropfen kann abhängig von verschiedenen Faktoren sein, basierend auf der benutzten Methode. Die einfachste Methode, um eine Scherwirkung zu erzeugen, ist das zwangsweise Ausstoßen einer Flüssigkeit durch eine Verengung, die eine erwünschte Form besitzt, um eine erhöhte Störung auf den Flüssigkeitsstrom zu bewirken. Eine Aufbrechvorrichtung kann in den Pfad des Stromes eingesetzt werden, um eine sekundäre Scherwirkung zu erzeugen. Ferner wird eine Scherwirkung durch den Strömungswiderstand der Atmosphäre, durch welche der Strom hindurchläuft, erzeugt. Genau so wie dies zum Beispiel bei einer freifallenden Flüssigkeit auftritt, bekannt als atmosphärische Strömungswiderstand-Scherwirkung. Die Scherwirkung kann außerdem durch vibrierende Mittel erzeugt werden. Flüssigkeitsfilme können zerteilt (geschert) werden, wenn Teilchen eine sich drehende Platte oder Tasse verlassen. Eine zusätzliche Scherwirkung kann durch das Überschneiden des Flüssigkeitsstromes mit einem zweiten Strömungsmittelstrom, bestehend aus Gas oder Flüssigkeit, erzeugt werden. Die gebräuchlisten Methoden stellen Abwandlungen der ersten sowie der letzten Methode dar.
Die Anwendungsbereiche dieser Techniken erstrecken sich vom Versprühen von Wasser, zu Farben, zum Gebrauch von Insektiziden, zur Medizin, bis hin zum Formen von Metallpudern für spezielle metalltechnische Anwendungsbereiche. Viele dieser Anwendungsbereiche rechtfertigen nicht den Versuch zur Verbesserung, da Energieerfordernisse und Komplikationen die jetzige Einfachheit des Arbeitsverfahrens beeinträchtigen, ohne zusätzliche Vorteile zu bringen. Wie auch immer, können viele Arbeitsverfahren verbessert werden, wo eine gleichmäßige Tröpfchengrößenverteilung über einen bestimmten Umfang erforderlich ist. Wie zu erwarten ist, wird dies immer schwieriger zu erreichen, desto kleiner die Größe ist. Viele Arbeitsverfahren können verbessert oder vereinfacht werden, wo eine Tropfenherstellung in rauher Umgebung oder im Gebrauch mit gefährlichen Materialien erforderlich ist. Besondere Anstrengungen wurden unternommen bei der Verbesserung der Gas-zu-Flüssigkeitskupplung in zwei verschiedenen Strömungsmittelsystemen, was durch Strukturabwandlungen der Sprühvorrichtung und durch Erhöhung der Energie des Gases erreicht wurde. Zusätzlich kann die Teilchengrößenverteilung durch Schall- und Ultraschallvibrationen gesteuert werden, welche auf den Gasstrom einwirken; einige dieser Versuche sind beschrieben in den US-Patenten Nr. 29 97 245, 30 67 956, 38 29 301 und 39 09 921. Da die Teilchengrößenverteilung bei den Ausführungen des Standes der Technik nur in direkter Beziehung zur totalen Gasströmung standen, wurde die Teilchengrößenverteilung in direkter Beziehung zur Gasgeschwindigkeit oder Vibrationsfrequenz nie gezeigt. Die Gasgeschwindigkeiten einer Zweiphasenströmung, wenn ein Gasstrom mit einem Flüssigkeitsstrom kuppelt, wurden nicht in Betracht gezogen. Während sehr kleine Teilchengrößen beim Stand der Technik möglich waren, so waren die erreichten Größen mehr auf den erhöhten Gasdruck als auf die ausgesetzte Frequenz zurückzuführen, der ein zweiter Strom ausgesetzt war.
Die Erfindung betrifft ein System zum Versprühen oder Zerstäuben von Flüssigkeiten durch Zerteilen (Scheren) mit einem Überschall-Zweiphasenstrahl, so daß die Teilchengrößenverteilung in einem schmalen bestimmten Umfang geregelt ist; die resultierende Sprühung ist relativ gleichförmig im Querschnitt und ist so gerichtet, daß eine minimale Ausdehnung des Sprühungsquerschnittes erfolgt. Das System ist von Natur aus steuerbar: Das Flüssigkeit-zu-Gas-Massenverhältnis und die Zweiphasenmischung sind so eingestellt, daß eine bestimmte Schallgeschwindigkeit erreicht wird, wobei eine Schallschockwelle oder -wellen und eine ausgesetzte Schallfrequenz in der Düse beibehalten werden. Eine solche Einstellung stellt sicher, daß das Kuppeln zwischen der Gasenergie und der zu zerteilenden Flüssigkeit in der Form von Schockwellen, Schallfrequenzen und Geschwindigkeit auftritt, so daß eine optimale Energiewirkung auf die Flüssigkeit und somit auf die Flüssigkeitstropfen erreicht wird. Die aufgeprägte Frequenz ist für eine einzelne Teilchengröße dahingehend frei wählbar, daß sie Tropfen, die größer sind als erwünscht, auflöst und solche, die kleiner sind, zusammenfügt, wobei eine Sprühung mit einer im wesentlichen gleichmäßigen Teilchengröße entsteht.
Fig. 1 stellt eine Schemazeichnung einer Düse der Erfindung mit der Flüssigkeitseinspeisung nahe dem Drosselpunkt dar;
Fig. 2 stellt eine Schemazeichnung einer Düse, welche ein zweites Ausführungsbeispiel mit der Flüssigkeitseinspeisung in -Leitung oder Linie der Erfindung zeigt, dar.
Fig. 3 zeigt einen Graph des statischen Druckes, welcher durch einen Gasfluß ohne Flüssigkeit in der Flüssigkeitseinspeisung gemäß den Fig. 1 und 2 erzeugt, im Vergleich zu dem einer Vorrichtung des herkömmlichen (konzentrischen) Systems;
Fig. 4 zeigt einen Graph, der die Menge des angesaugten Wassers in bezug auf den Gasfluß in der Vorrichtung gemäß den Fig. 1 und 2 zeigt, im Vergleich zu dem herkömmlichen (konzentrischen) System;
Fig. 5 zeigt einen Graph, der die Massenverhältnisse des Gases zur angesaugten Flüssigkeit für eine Düse gemäß den Fig. 1 und 2 im Vergleich zu einem konventionellen (konzentrischen) System zeigt.
Die Fig. 1 und 2 zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele der schallzerstäubenden Einheiten der Erfindung und sind mit der Ausnahme der Position der Flüssigkeitseinlässe 3 und 3 a gleich. Die verschiedenen Ausführungsbeispiele werden "In-Leitung oder Linie" Fig. 2 und "senkrecht" Fig. 1 Zerstäuber genannt. Die Figuren zeigen Querschnitts- Schemazeichnungen einer Düse, welche entweder zylindrisch oder rechteckig sein kann. Die Dimension, welche sich senkrecht in das Blatt hinein oder aus dem Blatt heraus erstreckt, hat keine vorbestimmte Grenze.
Fig. 1 zeigt einen Gaseinlaßteil 101 einer Düse, welcher zu einem Minimum am Drosselpunkt 102 konvergiert und dann nach außen in den Austrittsteil 103 der Düse divergiert. Gase, welche beim bestimmungsgemäßen Gebrauch der Erfindung verwendet werden können, sind nur solche Gase, die mit dem zu versprühenden Material wie auch mit dem Material der Sprühvorrichtung, kompatibel sind. Solche Gase sind im allgemeinen inerte Gase, wie zum Beispiel Argon, Stickstoff, Helium, Neon und dergleichen. Andere Gase, wie zum Beispiel Luft, können in eingeschränkten Anwendungsbereichen zweckmäßig sein.
Bei Fig. 1 ist das zerstäubende Gas in die Einheiten durch die Gaseinspeisung 1 zugeführt. Die Gaseinspeisung 1 kann durch die Elemente 2 temperaturgesteuert werden. Die Gaseinspeisung endet an dem konvergierenden Teil einer konvergierenden- divergierenden Düse 100, dort, wo der Drosselpunkt 102 liegt. Die Flüssigkeitseinspeisung 3 kann durch die Elemente 4 temperaturgesteuert werden, und liegt senkrecht am oder um den Eng- oder Drosselpunkt 102, der Düse 100 herum. Mit anderen Worten liegt die Flüssigkeitseinspeisung 3 so, daß der Eintritt senkrecht zum Fluß des Gases von der Gaseinspeisung 101 erfolgt. Die exakte Lage der Flüssigkeitseinspeisung 3 kann in Abhängigkeit von den Ausmaßen und den Arten der beteiligten Komponenten variiert werden, und kann weiterhin abhängig von der Schallgeschwindigkeit der Zweiphasenmischung sowie der erwünschten Ansaugmenge am Flüssigkeitsauslaß sein. Somit kann die Lage der Flüssigkeitseinspeisung 3 in Beziehung zum Drosselpunkt eingestellt werden. Eine solche beziehungsmäßige Lage wirkt sich auf die Sprühungsform und -ausmaße, den Flüssigkeitswurf, die Sprühungslage und andere Sprühungsparameter aus. Obwohl die Flüssigkeitseinspeisung 3 in Fig. 1 so dargestellt ist, daß sie von einer Seite eintritt, kann sie von jeder beliebigen Seite oder beiden Seiten gleichzeitig eintreten. Die Flüssigkeitseinspeisung kann ein Einfach- oder Mehrfachpunkteintritt oder ein durchgehender Schlitz sein. Der divergierende Abschnitt der Düse 103 kann eine Länge, eine Form und einen Divergierungswinkel haben, die abhängig von der Schallgeschwindigkeit der Zweiphasenmischung sind. Die erwünschten Eigenschaften des austretenden Stromes und der Tröpfchengrößenverteilung wird unten besprochen.
Flüssigkeiten, welche beim bestimmungsgemäßen Gebrauch der Erfindung versprüht werden können, sind solche Flüssigkeiten, die mit den Materialien der Vorrichtung kompatibel sind. Sogar Flüssigkeiten mit sehr hoher Viskosität können versprüht werden. Geschmolzene Metalle, wie zum Beispiel Zinn, Aluminium, Kupfer und Stahl, können versprüht werden.
Fig. 2 veranschaulicht ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Beziehung einer In-Leitung oder Linie Flüssigkeitseinspeisung 3 a. Die Gaseinspeisung 1 a kann durch die Elemente 2 a gemäß Fig. 1 temperaturgeregelt werden. Die In-Leitung oder Linie Einspeisung 3 a endet an dem konvergierenden Teil 101 a der Düse 100 a. Die Zweiphasenmischung wird am oder um den Drosselpunkt 102 a vermischt und tritt in Richtung des divergierenden Teiles 103 a aus der Düse. Gemäß Fig. 1 kann die Flüssigkeitseinspeisung einen Einzel- oder Mehrfachpunkt-Einlaß oder einen durchgehenden Schlitz darstellen. Die Temperatur kann durch das Element 4 a geregelt werden.
Im allgemeinen erzeugt eine atomisierende oder zerstäubende Vorrichtung einen Strom von Flüssigkeitstropfen durch Zerteilen (Scheren). Wenn ein Gas und ein Flüssigkeitsstrom unter den Voraussetzungen aufeinander wirken, die in der Vorrichtung erzeugt werden. Die Vorrichtung der Erfindung sieht eine effiziente Kupplung zwischen dem Gas und der Flüssigkeit vor und ermöglicht eine maximale Regelbarkeit des Prozesses, weil das Kuppeln unter bestimmten regelbaren Bedingungen am Drosselpunkt der Düse auftritt. Ein experimenteller Nachweis für den engen Effektivitätsspielraum ist in den Fig. 3 bis 5 gezeigt. Die Düse der Erfindung wird mit einem konventionellen Zerstäuber verglichen, der auch Flüssigkeit ansaugt, der aber nicht in einer konvergierend- divergierenden Düse gelagert ist.
Bei dem bestimmungsgemäßen Gebrauch der Erfindung wird die Flüssigkeit und das Gas so in die Düse eingespeist, daß die zwei Phasen (Gas und Flüssigkeit) sich am oder um den Gasdrosselpunkt herum vermischen und dann in den divergierenden Teil der Düse eintreten, wo sich die Zweiphasenmischung ausdehnt und einen Teil der Ausdehnungsenergie dazu benutzt, um die Zweiphasenmischung in Überschallgeschwindigkeit zu drücken.
Fig. 3 zeigt den statischen Druck, der am Drosselpunkt der Düse erzeugt wird, wenn Gas durch die Gaseinspeisung geleitet wird, ohne daß sich Flüssigkeit in der Flüssigkeitseinspeisung befindet. Die Düse der Erfindung erzeugt nur über einen engen Gasströmungsspielraum, gemessen in Standardliter pro Minute (SLPM), Ansaugung, mit einem bestimmten Maximum an erzeugter Ansaugkraft, während bei herkömmlichen Systemen die Ansaugkraft mit der Strömungsrate steigt.
Fig. 4 zeigt die Menge des angesaugten Wassers, wenn Wasser bei gleichen Gasströmungsbedingungen (gemessen in Standardliter pro Minute SLPM) in die Flüssigkeitseinspeisung eingeleitet wird. Die Menge des angesaugten Wassers nimmt monoton über den Arbeitsspielraum der Düse der Erfindung ab. Die herkömmlichen Systeme erhöhen die Menge des angesaugten Wassers zu einem Maximum, das von dem Dampfdruck und der Temperatur des Wassers abhängig ist; an dieser Stelle verdampft das Wasser und reduziert das Vakuum.
Fig. 5 zeigt die Gas-zu-Flüssigkeits-Massenverhältnisse der zwei Systeme. Das Verhältnis ist im wesentlichen über einen großen Bereich von Gasströmungsraten gleichbleibend in den herkömmlichen Systemen, ändert sich aber beachtlich bei der Düse der Erfindung. Die Gasströmung wird in Standardliter pro Minute (SLPM) gemessen.
Die drei Figuren deuten außerdem an, wie das System der Erfindung gesteuert werden kann. Erstens tritt für gegebene Düsenabmessungen, wie in den Fig. 3 bis 5 gezeigt, Ansaugung nur innerhalb eines sehr engen Bereichs von Gasgeschwindigkeiten auf. Jedoch können solche Parameter durch Verändern der Abmessungen der Flüssigkeitseinspeisung oder durch Verändern des Lieferdruckes der Flüssigkeit geändert werden.
Das Erhöhen des einen oder beider verringert das Gas-zu-Flüssigkeitsverhältnis, was die durchschnittliche Tropfengröße erhöht und die Kühlung verringert, aber die Flüssigkeitslieferrate erhöht. Die Verringerung von dem einen oder beiden hat den umgekehrten Effekt. Das Erhöhen des Umgebungsdrucks des Düsenausgangs erfordert eine Erhöhung des Druckes des zerstäubten oder vernebelten Gases, um sicherzustellen, daß eine Erhöhung im Gas-zu-Flüssigkeitsverhältnis und eine Verringerung in der Tröpfchengröße mit einer Erhöhung an Kühlung erzeugt wird, ohne das eine Erhöhung in der Flüssigkeitsströmungsrate entsteht.
Die obengenannten Parameter stellen solche Bedingungen dar, bei denen der Druck am Düsenausgang dem Umgebungsdruck gleicht. Die strukturellen Abmessungen der Düse können durch die Bestimmung von A/A′ aus der eindimensionalen stätigen Strömungs-Berechnung festgestellt werden:
M stellt die Mach-Zahl oder das Verhältnis von der Geschwindigkeit des Gasflusses zu der Schallgeschwindigkeit dar,
A ist die Fläche, die sich an einer Stelle stromabwärts von dem Düsenhals befindet,
A′ ist die Fläche des Düsenhalses und
γ ist das Verhältnis der spezifischen Wärmen der Zweiphasenmischung.
A/A′ an einer gegebenen Stelle stromabwärts kann in Abhängigkeit von der benutzten Zweiphasenmischung und der beabsichtigten Geschwindigkeit variieren. Die Länge und Form der Düse wird dann durch einen iterativen Vorgang bestimmt, der auf dem Gebiet der Düsenkonstruktion als hodographe Konstruktion bekannt ist. Diese hodograph-Konstruktion ist ein Mittel zum Bestimmen der Abmessungen einer Düse für Überschallströmung durch eine graphische berechnende Methode, die die Schocks, die bei einer Überschallströmung durch eine gegebene Düse auftreten, auf ein Minimum reduziert; jedoch ist es möglich, eine existierende Düse basierend auf der obigen Formel und dem Wert für A/A′ zu modifizieren. Wie in der Technik bekannt ist, erfordert jede Methode eine Schätzung oder eine empirische Bestimmung von γ für die Zweiphasenmischung.
Ein wichtiger Aspekt für die Überschalldüse der Erfindung ist die Fähigkeit zur Regelung der Form der austretenden Sprühung. Wenn der Austrittsdruck gleich dem Umgebungsdruck ist, so behält die Sprühung den gleichen Querschnitt wie der Düsenaustritt. Wenn der Austrittsdruck geringer ist, so konvergiert die Sprühung, und wenn der Austrittsdruck höher ist, so divergiert die Sprühung. Somit kann die Form der austretenden Sprühung vorbestimmt werden.
Durch das Verfahren der Erfindung werden Überschallbedingungen wie auch Schock oder Zerstäubungsbedingungen erzeugt, und zwar durch Aufbrechen einer Flüssigkeit in feine Tropfen durch Scherwirkung durch ein zerstäubendes Gas, zur Bildung einer Zweiphasenströmung. Durch das Verfahren der Erfindung kann die Lage der Flüssigkeitseinspeisung variiert werden, um das Ansaugen der Flüssigkeit zur Einleitung und Regelung des Flüssigkeitsstromes zu regeln und um ferner das Zerteilen (Scheren) durch das zerstäubende Gas zu regeln. Die Fähigkeit zur Formung der austretenden Sprühwolke und die Fähigkeit zur Beeinflussung der Verteilung der Tropfen in dieser Sprühwolke sowie die Fähigkeiten der Kontrolle der Temperatur dieser Sprühwolke sind weitere Vorteile dieser Methode.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dieser Erfindung ist eine Überschallsprühdüse, die eine konvergierende-divergierende Düse ist, die entweder einen kreisförmigen oder linearen Ausgang besitzt, der dabei so beschaffen ist, daß Überschallbedingungen für eine Zweiphasenmischung innerhalb der Düse erzeugt werden können. Die Masse der Tropfen sowie die Tropfengröße beeinflußt diese Geschwindigkeit, die Schockbedingungen sowie die Kupplung des Schocks mit den zwei Phasen. In umgekehrter Weise beeinflussen die Schockbedingungen und das Kuppeln des Schocks mit den zwei Phasen die Tropfengröße und die Tropfenverteilung innerhalb der Düse. Die Mischung verengt sich und erzeugt somit einen Schockeffekt bei einer Geschwindigkeit, die weit unterhalb der Verengungsgeschwindigkeit des Gases liegt, was das Kuppeln und das Auflösen der Flüssigkeit bei einem Gaslieferdruck unterhalb des Gaslieferdruckes der vorherigen Düsenausführungen ermöglicht.
Die Schockfrequenz kann derart erhöht werden, daß eine Ultraschallfrequenz zum Wählen einer engen Tropfengrößenverteilung aufgeprägt wird. Die Tropfengrößenverteilung kann durch das Auflösen von größeren Tropfen und das Zusammenfügen von kleineren Tropfen eingeengt und gleichmäßiger gemacht werden. Die periodischen Schocks können durch die Form, Länge und Druck der Düse, durch periodische Unebenheiten der Oberfläche der Düse, wie zum Beispiel Bearbeitungs- Markierungen oder durch das Aufprägen einer Frequenz auf das Gas vor dem Drosselpunkt, erzeugt werden.
Die Lage des Endes der Flüssigkeitsanspeisung 3 und 3 a gemäß Fig. 1 und 2 wirkt sich auch auf die Sprüheigenschaften aus. Die Flüssigkeitseinspeisung 3 und 3 a können innerhalb des Drosselpunktes 102 oder 102 a nach hinten und nach vorn gelegt werden, wodurch sie die Ansaugmenge oder den Gegendruck der Flüssigkeitseinspeisung entweder erhöht oder verringert, was wiederum die Strömungsrate der Flüssigkeit bestimmt, wenn man diese in Kombination mit dem Flüssigkeitsdruck sieht. Die Strömungsmenge kann somit durch Variieren des Flüssigkeitsdruckes des Düsenaustrittsdruckes der Gasströmung und des Druckes geregelt werden. Dies ermöglicht die Regelung des Sprühmusters der Sprühwolkendichte und der Tropfengrößenverteilung während des Prozesses, je nachdem wie sich die Bedingungen oder Erfordernisse ändern und kann verwendet werden in Verbindung, mit der Einstellung der Lage des Flüssigkeitseinlasses in Beziehung zum Drosselpunkt zur weiteren Steuerung der Sprühung.
Eine andere Art der Regelung der Sprühung ist das Regeln der Temperatur entweder der Flüssigkeits- oder Gaseinspeisung oder beiden. Diese Regelung kann notwendig sein, um ein Gefrieren der Flüssigkeit, der Flüssigkeitseinspeisung oder um ein Gefrieren innerhalb der Düse zu verhindern, bevor alle notwendigen Bedingungen erreicht sind. Eine weitere Überlegung der Temperaturregelung ist, daß Schallbedingungen temperaturabhängig und abhängig vom Grad des thermischen Gleichgewichtes zwischen den Phasen sind. Ein weiterer Bedarf zur Temperaturregelung besteht darin, die Tropfentemperatur am Ausgang zu variieren, und zwar zum Ausgleichen des Erhitzens oder des Abkühlens durch Phasenwechselwirkungen und zum Ausgleichen der Abkühlung durch die Expansion der Zweiphasenmischung.
Beispiel
Eine zylindrische Düse mit einer senkrechten Einzelpunkt-Flüssigkeitseinspeisung zum Versprühen von flüssigem Zinn wurde entworfen. Die Düse hat einen Eingangskonus von 38° und einen Ausgangskonus von 17°. Der Ausgangskonus endete mit einem Austrittsdurchmesser, welcher dem Zehnfachen des Durchmessers an der Verengung entsprach. Ein Argonfluß von 16 Standardlitern pro Minute (SLPM) wurde am Drosselpunkt erreicht, wobei ein statischer Druck von 3,9 psi an der Flüssigkeitseinspeisung mit keiner eingespeisten Flüssigkeit entstand. Destilliertes Wasser wurde dann durch die Flüssigkeitseinspeisung der Düse angesaugt, während der Düsenaustrittsdruck gleich dem Umgebungsenddruck gehalten wurde. Ein Wasserfluß von 6 g/min wurde erreicht, was einem Massenverhältnis von Argon zu Wasser von 4 bedeutet. Ein gleichmäßiger Querschnitt der resultierenden Sprühung sowie eine gleichmäßige Teilchengrößenverteilung der Sprühung wurden beobachtet.
Mit der Erfindung könnte jede Flüssigkeit, welche mit den Materialien der Sprühvorrichtung chemisch kompatibel ist, versprüht werden. Sogar Flüssigkeiten mit einer sehr hohen Viskosität könnten versprüht werden. Ersichtlicherweise sind die Schallstörungen der Zweiphasenmischung verantwortlich für diesen hohen Grad an Fähigkeiten, und sie zerteilen (scheren) die Flüssigkeit in einzelne Teilchen mit einer Größe, welche eine Sprühung formen können. Somit könnte praktisch jede Flüssigkeit versprüht werden, einschließlich geschmolzener Metalle, wie Stahl oder Zinn. Gleichzeitig ist jedes Gas, welches kompatibel mit den Materialien der Sprühvorrichtung und der zu versprühenden Flüssigkeit ist, brauchbar zum Versprühen.
Zusätzlich ist es möglich, zwei verschiedene Flüssigkeiten von zwei separaten Flüssigkeitseinspeisungen aus einzuspeisen. In solchen Fällen werden Einstellungen in den jeweiligen relativen Einspeisungsraten erforderlich zum Ausgleich der Unterschiede von Viskosität, Gasdruck, Oberflächenspannung und dergleichen der jeweiligen Flüssigkeiten. Obwohl eine solche Anordnung eine homogene Sprühung zur Folge haben könnte, könnte sich zusätzlich die spezielle Größenbemessung der individuellen Flüssigkeiten innerhalb der Sprühung verändern. Unterschiede in der Lage der jeweiligen Einspeisungen können zudem die Größe und Form der Sprühung beeinflussen.
Während die Erfindung in bezug auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, wird der Fachmann verstehen, daß eine Vielzahl von Änderungen gemacht werden können und äquivalente Teile durch andere Teile ersetzt werden können, ohne und vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Zusätzlich können Veränderungen zum Anpassen einer bestimmten Situation oder eines Materials an die Lehre der Erfindung gemacht werden, ohne hierdurch vom essentiellen Umfang der Erfindung abzuweichen. Daher ist es erwünscht, daß die Erfindung nicht auf das bestimmte gezeigte Ausführungsbeispiel begrenzt ist, welches als die beste Art zur Ausführung der Erfindung betrachtet wird, will man, daß die Erfindung alle Ausführungsbeispiele und Äquivalente umfaßt, welche in dem Umfang der begleitenden Ansprüche fällt.
Eine Vielzahl von Merkmalen der Erfindung sind in den folgenden Ansprüchen erwähnt.

Claims (17)

1. Vorrichtung zum Versprühen von Flüssigkeiten unter Überschallbedingungen, welche folgendes aufweist:
eine Düse mit einem konvergierenden Gaseinlaßteil;
einen Drosselteil;
einen divergierenden Sprühungsauslaßteil, wobei der Drosselteil zwischen dem konvergierenden Gaseinlaßteil mit dem divergierenden Sprühungsauslaßteil liegt, und diese verbindet; und
Flüssigkeitseinlaßmittel, die innerhalb des Drosselteiles enden, um das Einspeisen einer Flüssigkeit in den Drosselpunkt zu gestatten, und zwar zur Mischung mit einem Gas vom Gaseinlaß, um eine Zweiphasenmischung zu formen.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Element zur Regelung der Temperatur des Gaseinlaßteils.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Element zum Regeln der Temperatur der Flüssigkeitseinlaßmittel.
4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das A/A′- Verhältnis bei einer bestimmten Lage des divergierenden Sprühungsauslaßteils, abhängig von den bestimmten Temperaturen jeder Phase der Zweiphasenmischung berechnet wird.
5. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Flüssigkeit einen Schmelzpunkt unterhalb des der Materialien der Vorrichtung besitzt und chemisch mit den Materialien der Vorrichtung kompatibel ist.
6. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Gas chemisch kompatibel mit der zu versprühenden Flüssigkeit und dem erwünschten Produkt des inerten Gases ist.
7. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Flüssigkeit aus der Gruppe, bestehend aus Wasser, geschmolzenem Zinn, geschmolzenem Stahl, geschmolzenem Aluminium und Kupfer, ausgewählt ist.
8. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Gas aus der Gruppe, bestehend aus Luft, Stickstoff und Argon, ausgewählt ist.
9. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Düse und die Flüssigkeitseinlaßmittel im Querschnitt rechteckig sind.
10. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Düse und die Flüssigkeitseinlaßmittel im Querschnitt rund (kreisförmig) sind.
11. Verfahren zum Zerstäuben von Flüssigkeiten, welches folgende Schritte aufweist:
Pressen eines Gases durch miteinander verbundene konvergierende, verengte (einschränkende) und divergierende Teile einer Düse mit anfangs Unterschallgeschwindigkeit;
Liefern einer Flüssigkeit mit Unterschallgeschwindigkeit zum Berühren und Mischen mit dem Gas in dem verengten Teil der Düse bei Unterschallgeschwindigkeit; und
Aufrechterhalten des Druckes am Ausgang des divergierenden Teils der Düse gleich dem Umgebungsdruck, wobei die resultierende Zweiphasenmischung mit Überschallgeschwindigkeit austritt, und zwar mit einer im wesentlichen gleichmäßigen Tropfengröße und einem im wesentlichen unzerstreutem Sprühmuster.
12. Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei das Gas mit Strömungsraten, bestimmt durch die Größe des Austritts des divergierenden Teils und der Wechselwirkung des Gases und der Flüssigkeit in der Zweiphasenmischung durch die Düse gedrückt wird.
13. Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei die Flüssigkeit unter Druck in den Gasfluß eingeführt wird.
14. Die Methode gemäß Anspruch 11, wobei die Flüssigkeit durch Sogwirkung in den Gasfluß gesaugt wird.
15. Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei das Gas aus der Gruppe, bestehend aus Gasen, die chemisch kompatibel mit der zu versprühenden Flüssigkeit und dem erwünschten Produkt sind, ausgewählt ist.
16. Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei die Flüssigkeit aus einer Gruppe, bestehend aus Flüssigkeiten mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als den der Materialien der Vorrichtung und Flüssigkeiten, die mit den Materialien der Vorrichtung chemisch kompatibel sind, ausgewählt ist.
17. Vorrichtung zum Sprühen von Flüssigkeiten unter Überschallbedingungen, wobei folgendes vorgesehen ist:
eine Düse (100) mit einem konvergierenden Gaseinlaßteil (101),
ein Drossel- oder Choketeil (102),
ein divergierender Sprühauslaßteil (103), wobei der Drosselteil zwischen dem konvergierenden Gaseinlaßteil und dem divergierenden Sprühauslaßteil (103) diese verbindend angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß der divergierende Sprühauslaßteil (103) eine Verjüngung besitzt, wo die Fläche A an einem ausgewählten Abstand stromabwärts im wesentlichen mit der Fläche A′ des Düsenhalses wie folgt in Beziehung steht: wobei folgendes gilt: M = das Verhältnis der Geschwindigkeit der Gasströmung zur Geschwindigkeit des Schalls, und γ ist das Verhältnis der spezifischen Wärmen der Zweiphasengasmischung, und daß ein Flüssigkeitseinlaß (3) innerhalb des Drosselteils (102) endet, um die Einspeisung einer Flüssigkeit in den Drosselteil (102) zur Mischung mit einem Gas vom Gaseinlaß (101) zur Bildung einer Zweiphasenmischung zu gestatten.
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