DE3939178A1 - Vorrichtung zum zerstaeuben von fluessigen und festen stoffen, vorzugsweise geschmolzenen metalls - Google Patents
Vorrichtung zum zerstaeuben von fluessigen und festen stoffen, vorzugsweise geschmolzenen metallsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zerstäuben min
destens eines Strahls eines flüssigen oder festen Stoffes,
vorzugsweise geschmolzenen Metalls nach dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
Die Erfindung geht von einer bekannten Vorrichtung aus (EP-
A1 03 08 933), bei der die abstrahlenden Sonotrodenflächen
im Verjüngungsabschnitt einer Düse angeordnet sind, durch
die ein Inert- oder Reaktionsgas in das Ultraschallfeld
zwischen den Sonotrodenflächen eingeleitet wird. Dieser Gas
strom fördert den Zerstäubungsprozeß und erlaubt einen
gezielten Partikeltransport aus dem Zerstäubungsbereich
heraus.
Bei einer bekannten Vorrichtung (DE-C2 28 42 232) zum Zer
stäuben von Kohlestaub für Heizungszwecke kann die Verbren
nungsluft radial durch Schlitz- oder Ringdüsen in die Druck
bäuche oder Knoten der stehenden Welle eines Ultraschallfel
des eingeblasen werden, das zwischen einer Sonotrode und
einem Reflektor erzeugt wird.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die
Vorrichtung der eingangs geschilderten Art so auszubilden,
daß der Zerstäubungsdurchsatz deutlich erhöht wird und der
Zerstäubungsprozeß besser geregelt werden kann.
Die genannte Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale
des Patentanspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß werden nicht nur der Zerstäubungsfluid
strahl, der im Regelfall flüssig ist, sondern auch das im
Regelfall gasförmige Zusatzfluid über Düsen gezielt in die
Druckknotenbereiche der stehenden Ultraschallwelle einge
bracht. Der Durchsatz an Zusatzfluid durch die Düsen ist
getrennt zum Zerstäubungsfluid einstellbar. Vorzugsweise
werden mehrere Zerstäubungs- und Zusatzfluidstrahlen einge
leitet. Der Durchsatz an Zerstäubungsfluid soll einen oberen
Grenzwert nicht überschreiten, da der Strahl dann im
Zerstäubungsbereich durchschlägt und die Zerstäubungslei
stung verkleinert. Wenn aber Zusatzfluidströme gleichzeitig
und zusätzlich zum eigentlichen Zerstäubungsfluidstrahl in
die Zerstäubungsbereiche im Druckknoten eingeleitet werden,
so läßt sich der Zerstäubungs-Fluidmassendurchsatz wesent
lich erhöhen. Dies läßt sich auf eine lokale Erhöhung der
Gasdichte (Staudruck) im Zerstäubungsbereich der Druckknoten
sowie durch die Turbulenzerhöhung im Zerstäubungsbereich
infolge der gezielten Zusatzfluidmassenstromeinbringung
zurückführen. Durch die gezielte und lokal eingegrenzte
Einbringung der Zerstäubungsfluid-/Zusatzfluidströme wird
eine Zweiphasen-Zerstäubung erzielt. Im Zerstäubungsbereich
erfolgt zusätzlich zur Ultraschalleinwirkung ein Impulsüber
trag von Seiten des unterstützenden Zusatzgases und damit
eine wesentliche Leistungsverbesserung des Zerstäubungspro
zesses. Ferner ergibt sich eine Verschiebung des Tropfen
größenspektrums bei der Zerstäubung zu kleineren Tropfen
hin. Ferner ist die Regelmöglichkeit des Zer
stäubungsprozesses durch Veränderung des Zusatzgasstromes
verbessert. Im Zerstäubungsbereich wird eine größere Kühl
wirkung und damit höhere Abkühlgeschwindigkeit erzielt und
es erfolgt ein gezielter Partikeltransport aus dem Zerstäu
bungsbereich heraus.
Als Zerstäubungsfluid können Flüssigkeiten (insbesondere
Schmelzen) und feste Stoffe (Minerale, Pulver, Schäume)
Verwendung finden. Als Zusatzfluid kann Gas, Dampf, Nebel,
Flüssigkeit, Pulver oder dergleichen Verwendung finden.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand
der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht einer Vorrichtung zum Zer
stäuben einer Schmelze in wenigstens drei
Tiegeldüsen in drei Druckknotenbereichen,
Fig. 2 einen Schnitt durch einen der Ultraschall
schwinger,
Fig. 3 eine Anordnung mit in einem Druckknotenbereich
liegenden Einzeldüsen zum Einleiten von
Zerstäubungsfluid und Zusatzfluid,
Fig. 4 eine Anordnung mit in einem Druckknotenbereich
liegenden Ringdüsen für Zerstäubungsfluid und
Zusatzfluid,
Fig. 5 eine Seitenansicht der Fig. 4,
Fig. 6 eine Seitenansicht mit einer Flachdüse in einem
Drucknotenbereich,
Fig. 7 eine Stirnansicht der Anordnung in Fig. 6,
Fig. 8 eine Stirnansicht einer Düsenanordnung nach Fig. 3
oder Fig. 4 für eine rechteckige Sonotrode und
Fig. 9 eine Seitenansicht mit konkaven Sonotroden.
Fig. 1 zeigt die aus der EP-A 03 08 933 bekannte Vorrich
tung, bei der zwischen zwei Sonotroden 1 und 2 ein Ultra
schall-Stehfeld 3 mit Druckknoten und Druckbäuchen erzeugt
wird. In die Knotenbereiche münden die Öffnungen von
Schmelztiegeln 4, aus denen je ein oder mehrere Strahlen
Schmelze austreten und in dem Ultraschallfeld eines zwischen
den Sonotrodenflächen 5, 6 durchgeleiteten Gases zerstäubt
werden.
Die Sonotrode 2 gehört zu einem Ultraschallschwinger 10, der
in Fig. 2 dargestellt ist, der einen Booster 11 und einen
Konverter 12 aufweist. An einer Knotenstelle 14 des Boosters
11 ist ein den Konverter 12 und den Booster 11 umschließen
des Gehäuse 15 druckdicht befestigt. Das Gehäuse 15 ist über
eine ebenfalls mit Dichtungen 16 versehene Hülse 17 in einem
Außengehäuse 18 angeordnet, das die Durchführung durch eine
Wandung 19 bildet, die den Außenraum 20 vom Druckraum 21
trennt, in dem die Zerstäubung vorgenommen wird. Über das
Gehäuse 18 erfolgt die Einführung des Kabels 22 an den Kon
verter 12. Das Gehäuse 15 ist über eine Verstelleinrichtung
23 axial einstellbar.
In Fig. 3 ist eine Stirnansicht der Sonotrodenfläche 5 der
Sonotrode 1 dargestellt. Neben den Zerstäubungsfluid-Düsen
25 finden sich mehrere einzelne Zusatzfluid-Düsen 26, die an
nicht dargestellte Druckmittelquellen für Zusatzgas angeschlossen
sind. Die Düsen 25 und 26 sind radial gerichtet und am
Umfang versetzt angeordnet. Über die Düsen 25, 26 werden
Fluidströme gezielt auf die Längsachse 7 der Schwingeranord
nung geleitet. Vorzugsweise erfolgt die Einleitung in die
Druckknotenbereiche des Ultraschallfeldes, wie dies auch aus
Fig. 5 hervorgeht. In Fig. 3 sind die Düsen abwechselnd
angeordnet, so daß jeweils neben einem Zerstäubungsfluid
strahl aus der Düse 25 ein Zusatzfluidstrahl aus der Düse 26
austritt. Durch die dargestellte kombinierte Düsenanordnung,
die über den Umfang der Sonotrodenanordnung fortgesetzt
werden kann läßt sich der Fluidmassendurchsatz wesentlich
erhöhen und damit die Zerstäubungsleistung vergrößern.
In Fig. 4 sind Ringdüsen 28 dargestellt, bei denen der
Zerstäubungsfluidstrahl aus einer zentralen Öffnung 29 und
der Zusatzfluidstrahl aus einer ringförmigen Öffnung 30
austritt, welche die mittige Düse ringförmig umschließt.
Alle diese Düsen sind in jeweils einen Druckknotenbereich
der Stehwelle gerichtet.
Fig. 5 zeigt die Anordnung mehrerer solcher in Fig. 3 oder
4 dargestellten Einzel- oder Ringdüsen 25, 26, 28 zum Einlei
ten von Zerstäubungs- und Zusatzfluidströmen in die einzel
nen Druckknotenbereiche der Stehwelle. Für jeden Druckkno
tenbereich sind wiederum mehrere Düsen 25, 26, 28 vorgesehen,
wie in Fig. 3 oder 4 dargestellt ist.
In Fig. 6 ist eine Flachdüse 35 mit Einleitungen 36 für
Zerstäubungsfluid und Einleitungen 37 für Zusatzgas darge
stellt. Der Zusatzgasstrahl tritt beidseitig des mittig
austretenden Zerstäubungsgasstrahls gezielt in den Zerstäu
bungsbereich der Ultraschallwelle ein.
Fig. 7 zeigt die Stirnansicht 5 einer rechteckigen Sono
trode 1, für die die Flachdüse 35 besonders geeignet ist.
Mit einer derartigen großflächigen Sonotrode läßt sich eben
falls die Zerstäubungsleistung steigern. Dies trifft auch
bei der Anordnung in Fig. 8 zu, bei der in das von einer
großflächigen, rechteckigen Sonotrode 1 erzeugte Ultra
schallfeld mehrere in Reihen nebeneinander angeordnete Düsen
25, 26 beziehungsweise Ringdüsen 28 vorgesehen sind, die
jeweils in den Ebenen der Druckknotenbereiche angeordnet
sind.
Alle dargestellten Anordnungen können auch in einem Druck
behälter untergebracht werden, in dem eine Verdichtung der
eingeleiteten Gasströme erfolgt, so daß die Energieüber
tragung in dem verdichteten Medium vergrößert wird.
Fig. 9 zeigt eine weitere Maßnahme zur Verbesserung der
Zerstäubungsleistung. Die Sonotrodenflächen 5 beziehungs
weise 6 sind konkav ausgeführt, so daß die Energie im Knoten
der Ultraschall-Stehwelle fokussiert und damit der Schall
wechseldruck erhöht wird. Außerdem lassen sich die Sono
troden-Abstrahlflächen beschichten, um die Benetzbarkeit zu
mindern. Dies kann beispielsweise durch Aufdampfen von Bor-
Nitrit, Titan-Nitrit oder durch Verchromen oder Eloxieren
etc. erfolgen.
Claims (11)
1. Vorrichtung zum Zerstäuben mindestens eines
Strahls eines Zerstäubungsfluids, vorzugsweise geschmolzenen
Metalls, mit mindestens einem Paar auf einer gemeinsamen
Schwingerachse einander mit Abstand gegenüberliegenden
Ultraschallschwingern, zwischen deren Sonotroden ein stehen
des Ultraschallfeld erzeugt wird, in dessen Druck
knotenbereichen das Zerstäubungsfluid mittels der Ultra
schallenergie und eines unter Druck über eine Düse in das
Ultraschallfeld geführten Zusatzfluids zerstäubt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Zerstäubungs
fluidstrahl und mindestens ein Zusatzfluidstrahl über
getrennte Düsen in den jeweiligen Druckknotenbereich des
Ultraschallfeldes eingeleitet werden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das Zerstäubungsfluid in der Regel flüs
sig und das Zusatzfluid in der Regel gasförmig ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Fluidmassendurchsätze durch die
Düsen getrennt einstellbar und regelbar sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß zum Einleiten des Zerstäubungs
fluidstrahls und des Zusatzfluidstrahls jeweils getrennte
Düsen (25, 26) vorgesehen sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß zum Einleiten des Zusatzfluid
strahls Ringdüsen (28) vorgesehen sind, bei denen der
Zusatzfluidstrahl ringförmig den zentralen Zerstäubungs
fluidstrahl umschließend austritt.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß zum Einleiten des Zerstäubungs
fluidstrahls und des Zusatzfluidstrahls Flachdüsen (35)
vorgesehen sind, bei denen der Zusatzfluidstrahl beidseits
des Zerstäubungsfluidstrahls austritt.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (25, 26, 28, 35) für
beide Fluidstrahlen längs des Umfangs zueinander versetzt
angeordnet sind (Fig. 3, 4, 8).
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen in mehreren Knoten
bereichen in Reihe nebeneinander angeordnet sind, die
stirnseitig gesehen hintereinander liegend sowie gegeneinan
der verdreht in den Knotenbereichen angeordnet sind (Fig.
3, 4, 5).
9. Vorrichtung zum Zerstäuben eines Strahls eines
flüssigen Stoffs, vorzugsweise geschmolzenen Metalls mit
mindestens einem Paar auf einer gemeinsamen Schwingerachse
gegenüberliegenden Ultraschallschwingern, zwischen deren
Sonotroden ein stehendes Ultraschall erzeugt wird, in dessen
Druckknotenbereichen das Zerstäubungsfluid mittels der
Ultraschallenergie und eines unter Druck über eine Düse in
das Ultraschallfeld geführten Zusatzfluids zerstäubt wird,
insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
längs großflächiger einander zugekehrter Sonotrodenflächen
mehrere Düsenanordnungen nebeneinander für jeden Knoten
punktbereich angeordnet sind, die stirnseitig gesehen
hintereinander, sowie gegeneinander versetzt in den Knoten
bereichen angeordnet sind (Fig. 8).
10. Vorrichtung, insbesondere nach einem der Ansprüche
1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotroden-
Abstrahlflächen konkav ausgebildet sind.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotrodenflächen beschich
tet sind.
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