DE4128670A1 - Verfahren und vorrichtung zum zerstaeuben einer fluessigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Zerstäuben einer kontinuierlich strömenden Arbeitsflüs­ sigkeit mittels eines kontinuierlich strömenden gasförmigen oder flüssigen Zerstäubungsfluids, bei welchem der Arbeits­ flüssigkeitsstrom und der Zerstäubungsfluidstrom in einer Zerstäubungszone unter Ausführung einer Relativbewegung und Zerstäubung der Arbeitsflüssigkeit in Kontakt miteinander gebracht werden.

Bei den bekannten Verfahren der eingangs genannten Art fin­ det der Zerstäubungsvorgang innerhalb eines Zerstäubungskör­ pers statt, der beispielsweise Teil einer Düse ist. Das Zer­ stäubungsfluid wird dabei innerhalb eines Zerstäubungskör­ pers im wesentlichen schräg oder senkrecht zur Strömungs­ richtung des Arbeitsfluids geblasen. Diese Zerstäubungstech­ nik findet beispielsweise bei den sogenannten Zerstäubungs­ brennern Anwendung, wie sie beispielsweise in EP-A 2 09 631, EP-A-1 82 175 und EP-A-2 48 539 offenbart sind.

Ähnliche Verfahren werden zur Zerstäubung von Metallschmel­ zen in der Pulvermetallurgie verwendet. Hier strömt aus einem Behälter meist unter der Wirkung der Schwerkraft ein Schmelzestrahl aus, wobei in einer bestimmten Entfernung von der Ausströmungsöffnung des Behälters (z. B. zwischen 5 und 20 cm) ein unter großem Druck stehendes gasförmiges oder flüssiges Zerstäubungsfluid schräg zum Schmelzestrahl ge­ blasen wird (vgl. hierzu "Metalls Handbook", 9th Edition, VOL. 7, Powder Metallurgy, 1984, Seiten 25 bis 39). Der Auftreffwinkel zwischen dem Zerstäubungsfluid und dem Arbeits­ fluid beträgt üblicherweise etwa 20 bis 70°, wobei die klei­ neren Winkel bei Gasen und die größeren Winkel bei Flüssig­ keiten als Zerstäubungsfluid bevorzugt verwendet werden. Bei den bekannten Verfahren wird als Zerstäubungsursache mei­ stens die Impulsübertragung senkrecht zur Strömungsrichtung des Arbeitsfluids angesehen. Der genaue Mechanismus der Fragmentation ist jedoch nicht bekannt (vgl. "Metalls Hand­ book", Seite 26, Kapitel "Nozzle Designs" sowie Seite 27 Kapitel "Mechanism of Atomization") . Meist wird ein relativ großer Auftreffwinkel und eine möglichst kleine Angriffs­ fläche des Zerstäubungsstrahls als günstig erachtet ("Metalls Handbook", Seite 32, mittlere Spalte).

Da der genaue Zerstäubungsmechanismus bisher nicht bekannt ist, ist eine Einstellung der Prozeßparameter zur Erreichung eines bestimmten Zerstäubungsgrads bzw. einer vorgegebenen Partikelgröße sehr zeitaufwendig und ungenau. Hierzu sind meist empirische Untersuchungen notwendig, wobei sowohl geometrische (Düsenform, Auftreffwinkel usw.) als auch physi­ kalische (Druck im Behälter des Zerstäubungsfluids, Tempe­ raturen) Parameter variiert werden. Es hat sich jedoch ge­ zeigt, daß häufig schon geringfügige, unkontrollierte Ände­ rungen der Prozeßparameter den Fragmentationsvorgang so stark beeinflussen können, daß die Ergebnisse oft nicht reproduzierbar sind. Dies ist insbesondere der Fall bei der Schmelzezerstäubung in der Pulvermetallurgie.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Zerstäuben von Flüssig­ keiten der eingangs angegebenen Art zu entwickeln, womit der Zerstäubungsgrad und die Partikelgröße einfach und reprodu­ zierbar einstellbar sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden die in den Ansprüchen 1 bzw. 24 angegebenen Merkmalskombinationen vorgeschlagen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß zum Erzielen eines kontrollierbaren und effektiven Zerstäubungsvorgangs eine parallele Strömungsanordnung zwischen den beteiligten Fluiden am vorteilhaftesten ist. Demgemäß ist auch die Kon­ taktfläche zwischen den parallel strömenden Fluiden nicht kurz, sondern möglichst ausgedehnt zu gestalten. Es hat sich nämlich gezeigt, daß vor allem bei hohen Relativgeschwindig­ keiten zwischen den Fluiden ein effektiver Fragmentations­ vorgang einsetzt, der auf hydrodynamische Scherströmungsin­ stabilitäten zurückzuführen ist. Gegenstand der Erfindung ist es daher, den Mechanismus der Scherströmungsinstabilität sowie darauf basierende Abstreifvorgänge in möglichst effek­ tiver Weise für die Fragmentation der Arbeitsflüssigkeit nutzbar zu machen. Um dies zu erreichen, wird gemäß der Er­ findung primär vorgeschlagen, daß der Arbeitsflüssigkeits­ strom und der Zerstäubungsfluidstrom entlang einer innerhalb der Zerstäubungszone sich in Strömungsrichtung erstreckenden Zerstäubungsstrecke bis zur vollständigen Zerstäubung der ankommenden Arbeitsflüssigkeit parallel zueinander ausgerich­ tet werden. Um eine möglichst gleichmäßige Partikelgrößenver­ teilung zu erhalten, ist es vorteilhaft, wenn die den Parti­ keldurchmesser bestimmenden Prozeßparameter im Bereich der Kontaktfläche zwischen der Arbeitsflüssigkeit und dem Zer­ stäubungsfluid entlang der gesamten Zerstäubungsstrecke im wesentlichen konstant gehalten werden. Solche Prozeßparame­ ter sind insbesondere die Relativgeschwindigkeit und Gas­ dichte sowie die Temperatur der Schmelze und damit deren Viskosität, Dichte und Oberflächenspannung. Im Interesse eines effektiven Fragmentationsvorgangs wird das gasförmige Zerstäubungsfluid mit hoher Geschwindigkeit, vorzugsweise Schall- oder auch Überschallgeschwindigkeit, in die Zerstäu­ bungsstrecke eingeleitet.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Arbeitsflüssigkeit in Form eines kompakten Flüssigkeits­ strahls und das Zerstäubungsfluid in Form eines den Flüssig­ keitsstrahl koaxial umgebenden Ringstrahls entlang der Zer­ stäubungsstrecke geführt. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß am strömungsabseitigen Ende der Zerstäubungszone ein das Zerstäubungsfluid ansaugender Saug­ fluidstrom in Strömungsrichtung der Arbeitsflüssigkeit ein­ geblasen wird. Hierdurch ist in der Zerstäubungszone ein parallel zur Arbeitsflüssigkeit gerichteter Zerstäubungs­ fluidstrom einstellbar. Um die parallele Ausrichtung zu un­ terstützen, werden die Fluidströme durch ein sich entlang der Zerstäubungsstrecke erstreckendes, die Zerstäubungszone radial nach außen begrenzendes Führungs- bzw. Zerstäubungs­ rohr hindurchgeleitet. Vorteilhafterweise wird zusätzlich zu dem genannten Zerstäubungsfluidstrom vorzugsweise gleichge­ richtet ein zweiter Zerstäubungsfluidstrom koaxial möglichst nahe der Arbeitsflüssigkeit mit größerer Geschwindigkeit als diese in die Zerstäubungsstrecke eingeblasen. Der erste Zer­ stäubungsfluidstrom wirkt dann als Führungsstrom unterstüt­ zend, insbesondere hinsichtlich der Begrenzung der Expansion des zweiten Zerstäubungsfluidstroms und damit der Einhaltung der Parallelkonfiguration zwischen diesem und der Arbeits­ flüssigkeit.

Um den Einfluß von Wandeffekten auf das Fragmentationser­ gebnis weitgehend zu vermeiden, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn entlang der Zerstäubungsstrecke in Strömungs­ richtung ein weiterer, den Zerstäubungsfluidstrom radial außen­ seitig ringförmig abschirmender, vorzugsweise gasförmiger Abschirmfluidstrom zugeführt wird.

Die Einstellung eines definierten Zerstäubungsgrades und ei­ ner vorgegebenen Partikelgröße wird u. a. dadurch ermöglicht, daß die Durchsatzmenge der Arbeitsflüssigkeit und des Zer­ stäubungsfluids sowie des Führungsfluids und/oder des Ab­ schirmfluids unabhängig voneinander einstellbar sind. Eine entsprechende Einstellung der verschiedenen Fluidströme zur Erzielung eines optimalen Ergebnisses kann aufgrund von Mo­ dellrechnungen zum resultierenden Strömungsfeld gefunden werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfin­ dung werden die Arbeitsflüssigkeit in Form eines Ringstroms und das Zerstäubungsfluid in Form eines den Ringstrom axial durchdringenden Strahls entlang der Zerstäubungsstrecke geführt. Dies kann beispielsweise dadurch verwirklicht wer­ den, daß der Arbeitsflüssigkeitsstrom in Form eines ringför­ migen Flüssigkeitsfilms entlang der Innenfläche eines die Zerstäubungszone radial nach außen begrenzenden Filmführungs­ rohrs geleitet wird, während der Zerstäubungsfluidstrom an der nach innen weisenden Oberfläche des Flüssigkeitsfilms vorbei unter Zerstäubung der Arbeitsflüssigkeit durch das Filmführungsrohr hindurchgeblasen oder hindurchgesaugt wird. Zur Erzielung eines vorgegebenen Zerstäubungsgrads und einer definierten Partikelgröße sind die Durchsatzmenge der Arbeits­ flüssigkeit und des Zerstäubungsfluids unabhängig voneinander einstellbar. Weiter kann die Temperatur und damit die Visko­ sität und die Oberflächenspannung des Arbeitsfluids und ge­ gebenenfalls auch die Wandtemperatur des Filmführungsrohrs auf einen einstellbaren Sollwert eingeregelt werden. Außer­ dem ist über den Druck des Zerstäubungsfluids die Dichte desselben einstellbar. Auch geometrische Modifikationen des Filmführungsrohrs oder ebenfalls beheizte, in den Innenraum desselben eingebrachte Verdrängungskörper können zur Steue­ rung eingesetzt werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Arbeitsflüssigkeit in Form eines zusammenhän­ genden Strahls in Gleich- oder Gegenrichtung in das mit Unter- oder Überschallgeschwindigkeit strömende Zerstäubungs­ fluid eingespritzt wird. Ein besonders hoher Zerstäubungs­ grad und besonders feine Partikel sind dadurch zu erzielen, daß das Zerstäubungsfluid auf einen überkritischen Druck komprimiert wird. Wegen des dann unterbleibenden Phasenwech­ sels bleibt die Dichte trotz der durch Wärmeübergang beding­ ten Expansion hoch und fördert die Scherströmungsinstabili­ tät und den Abstreifprozeß.

Das Zerstäubungsfluid kann im Sinne eines Recycling in Strö­ mungsrichtung hinter der Zerstäubungszone vom Arbeitsflüssig­ keitsstaub getrennt und in die Zerstäubungszone zurückgeführt werden. Dazu muß das entstaubte gasförmige Zerstäubungsfluid vor der Zurückführung in die Zerstäubungszone gekühlt und komprimiert werden. Anschließend an die Expansion in der Zerstäubungszone kann das staubbeladene Zerstäubungsfluid in Strömungsrichtung hinter der Zerstäubungszone zusätzlich ex­ pandiert werden, bevor der Arbeitsfluidstaub abgeschieden wird.

In einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind der Arbeitsflüssigkeitsstrom und der Zer­ stäubungsfluidstrom entlang einer innerhalb der Zerstäubungs­ zone sich in Strömungsrichtung erstreckenden rohrförmigen Zerstäubungsstrecke bis zur vollständigen Zerstäubung der ankommenden Arbeitsflüssigkeit parallel zueinander ausge­ richtet. Der Zerstäubungsstrecke kann dabei ein gerades bzw. konvergierendes oder divergierendes Förderrohr oder eine Lavalldüse für das Zerstäubungsfluid vorgeschaltet sein.

Eine erste bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht ei­ nen mit einem Austrittskanal zentral in die Zerstäubungszone mündenden Vorratsbehälter für die Arbeitsflüssigkeit sowie einen den Austrittskanal koaxial umgebenden und parallel um diesen in die Zerstäubungszone mündenden Ringkanal für das Zerstäubungsfluid vor. Die äußere Umrandung des Ringkanals setzt sich bis über die Zerstäubungszone hinaus fort und um­ schließt diese mit dem Ziel, eine Parallelführung des Zer­ stäubungsstroms zu erzwingen. Das Zerstäubungsfluid wird über eine zum Austrittskanal koaxiale Einlaßöffnung in die Zerstäubungszone eingesaugt. Zu diesem Zweck ist hinter dem strömungsabseitigen Ende der Zerstäubungsstrecke eine den staubbeladenen Zerstäubungsfluidstrom ringförmig umgebende Öffnung zum Einblasen eines Saugfluidstroms angeordnet. Zur Verstärkung des Zerstäubungsfluidstroms kann möglichst di­ rekt um den der Austrittskanal des Vorratsbehälters ein gleichgerichteter, zur Zerstäubungsstrecke hin offener Ring­ kanal zum Einblasen eines den Arbeitsflüssigkeitsstrahl ringförmig umgebenden zweiten Zerstäubungsfluidstroms ange­ ordnet sein. Entlang der Zerstäubungsstrecke kann dazuhin mindestens eine weitere, radial außenliegende Ringöffnung zum Einblasen eines den Zerstäubungsfluidstrom ringförmig nach außen hin gegen den Einfluß von Wandeffekten abschir­ menden, vorzugsweise gasförmigen Abschirmfluidstroms ange­ ordnet werden.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante der Erfindung sieht einen mit einer radial außenliegenden ringförmigen Austrittsöffnung in das Innere der rotationssymmetrischen Zerstäubungszone mündenden Vorratsbehälter für die Arbeits­ flüssigkeit sowie ein im Inneren der Zerstäubungszone an die Austrittsöffnung in Schwerkraftrichtung anschließendes, die Zerstäubungsstrecke bildendes ringförmiges Filmführungsrohr für einen aus der Austrittsöffnung austretenden Flüssigkeits­ film sowie ein vor der Austrittsöffnung achszentral in die Zerstäubungszone mündendes Zuführungsrohr für das Zerstäu­ bungsfluid vor. Die Parallelführung der Arbeitsflüssigkeit und des Zerstäubungsfluids innerhalb des Filmführungsrohrs bei Aufrechterhaltung der Relativgeschwindigkeit und der Filmdicke (entgegen der Abnahme durch den Zerstäubungsvor­ gang) sowie sonstiger Bedingungen kann durch entsprechende Gestaltung der Einspeisung des Zerstäubungsgases sowie der Geometrie des Filmführungsrohres gewährleistet werden. Zweckmäßig weist das Filmführungsrohr z. B. einen von der Austrittsöffnung aus in Strömungsrichtung abnehmenden freien Querschnitt auf. Letzteres kann entweder dadurch verwirk­ licht werden, daß das Filmführungsrohr einen von der Aus­ trittsöffnung in Strömungsrichtung abnehmenden Durchmesser aufweist oder daß in dem Führungsrohr ein rotationssymmetri­ scher Verdrängungskörper achszentral angeordnet ist. Um im Falle der Zerstäubung einer Metallschmelze metallische Abla­ gerungen am Filmführungsrohr oder am Verdrängungskörper zu vermeiden, sind das Filmführungsrohr und/oder der Verdrän­ gungskörper zweckmäßig heizbar ausgebildet. Weiter ist in diesem Falle der Vorratsbehälter als temperaturgeregelter Schmelztiegel ausgebildet. Schließlich kann die Zerstäubungs­ leistung und/oder der Zerstäubungsgrad dadurch verstellt werden, daß die Austrittsöffnung für die Arbeitsflüssigkeit einen einstellbaren Durchtrittsquerschnitt aufweist.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, daß die Arbeitsflüssigkeit in Form eines zusammen­ hängenden Strahls in Gleich- oder Gegenrichtung in das in einem Rohr mit Unter- oder Überschallgeschwindigkeit strö­ mende Zerstäubungsfluid einspritzbar ist, wobei dieses zweckmäßig unter hohem, möglichst überkritischem Druck steht.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhafterweise zur Zerstäubung eines flüssigen Brennstoffs oder einer Emulsion aus Wasser und Kohlenstaub mittels eines Gases, wie Luft, Sauerstoff oder Wasserdampf innerhalb eines Brenners verwen­ det werden. Eine bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der Fragmentation einer flüssigen Me­ tall- oder Keramikschmelze mittels eines Gases, wie Luft, Stickstoff oder Argon, oder mittels einer Flüssigkeit wie einem verflüssigten Gas im Rahmen der Pulvertechnologie.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einiger in der Zeich­ nung in schematischer Weise dargestellter Ausführungsbei­ spiele näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1a und b zwei Varianten einer Zerstäubungsvorrichtung in geschnittener Darstellung, bei welcher die Ar­ beitsflüssigkeit als zentraler kompakter Strahl und die Zerstäubungsflüssigkeit als Ringstrom geführt sind;

Fig. 2a bis d vier Ausführungsvarianten einer Zerstäubungs­ vorrichtung in geschnittener Darstellung, bei wel­ cher die Arbeitsflüssigkeit in Form eines Films auf der Innenwand eines Filmführungsrohres als Ring­ strom und das Zerstäubungsfluid als den Ringstrom durchdringender Zentralstrom geführt sind;

Fig. 3a und b Schema zweiter Zerstäubungsvorrichtungen für Zerstäubungsfluide hoher Dichte;

Fig. 4 ein Schaltschema einer Zerstäubungsvorrichtung mit im Kreislauf geführtem Zerstäubungsfluid hoher Dichte.

Die in der Zeichnung dargestellten Zerstäubungsvorrichtungen weisen einen vorzugsweise heizbaren Vorratsbehälter (Tiegel) 10 für die zu zerstäubende Arbeitsflüssigkeit 12 sowie einen eine rohrförmige Zerstäubungszone 14 aufweisenden Zerstäu­ bungskörper 16 auf. Der Vorratsbehälter 10 mündet über eine Austrittsöffnung 18 in die Zerstäubungszone 14. Die Zerstäu­ bungszone 14 ist zusätzlich mit einem gasförmigen oder flüssi­ gen Zerstäubungsfluid 20 so beaufschlagbar, daß es entlang einer Zerstäubungsstrecke 22 zu einem Kontakt und einer Parallelführung zwischen dem Arbeitsflüssigkeitsstrom und dem Zerstäubungsfluidstrom kommt. Durch die Relativgeschwin­ digkeit zwischen Zerstäubungsfluidstrom 20 und Arbeitsflüssig­ keitsstrom 12 kommt es aufgrund der an der Flüssigkeitsober­ fläche eintreten den Scherströmungsinstabilität zu einer Zerstäubung der Arbeitsflüssigkeit 12. Durch geeignete Ein­ stellung der Prozeßparameter wird entlang der sich innerhalb der rohrförmigen Zerstäubungszone 14 befindlichen Zerstäu­ bungsstrecke die gesamte, an der Austrittsöffnung 18 aus dem Vorratsbehälter austretende Arbeitsflüssigkeit fragmentiert und in dieser Form mit dem Zerstäubungsfluid nach außen ge­ tragen.

Bei den in Fig. 1a und b gezeigten Ausführungsbeispielen mündet der über das Ventil 24 mit Arbeitsflüssigkeit 12 beschickbare, füllstandsgeregelte Vorratsbehälter 10 über einen vertikal nach unten weisenden, die Austrittsöffnung 18 aufweisenden Austrittskanal 26 achszentral in den rotations­ symmetrischen Hohlraum der Zerstäubungszone 14, während das Zerstäubungsfluid 20 über eine die Austrittsöffnung 18 ring­ förmig umgebende Einlaßöffnung 28 angesaugt wird. Die Ansau­ gung erfolgt über ein am stromabseitigen Ende der Zerstäu­ bungszone 14 aus einer Ringdüse 30 in Strömungsrichtung ausgeblasenes Saugfluid 32, das von außen über das Ventil 34 und einen Ringkanal 36 unter Druck zugeführt wird.

Der an der Austrittsöffnung 18 austretende Arbeitsflüssig­ keitsstrahl 12 wird durch einen zweiten an einer den Aus­ trittskanal 26 ringförmig umschließenden Ringdüse 38 in Richtung Zerstäubungszone zusätzlich ausgeblasenen ringför­ migen Zerstäubungsfluidstrom 40 verstärkt im Parallelstrom fragmentiert, wobei die eingesaugte Basisströmung 20 zur Parallelisierung des zweiten Zerstäubungsstroms 40 mit dem Arbeitsflüssigkeitsstrahl und zur Aufrechterhaltung der Re­ lativgeschwindigkeit beiträgt. Durch einen an einer Ringdüse in Strömungsrichtung austretenden Abschirmfluidstrom 44 wird die Innenwand der Zerstäubungszone 14 gegen auftreffende fragmentierte Tröpfchen abgeschirmt, so daß Anfrierungen verhindert werden. Das Abschirmfluid 44 wird dabei über das Ventil 46 und den Ringkanal 48 unter Druck in die Zerstäu­ bungszone 14 eingeblasen.

Die in Fig. 1a und 1b gezeigten Ausführungsbeispiele unter­ scheiden sich in der Innenkontur der rohrförmigen Zerstäu­ bungszone 14, wobei die Konfiguration gemäß Fig. 1b einen gegenüber derjenigen nach Fig. 1a gleichmäßigeren Strö­ mungsverlauf gewährleistet.

Bei den in den Fig. 2a bis d gezeigten Ausführungsbeispie­ len ist der Zerstäubungskörper 16 in einen oberen Gasfüh­ rungsteil 50 und einen unteren Zerstäubungsteil 52 unter­ teilt. Der Vorratsbehälter 10 zur Aufnahme der Arbeitsflüs­ sigkeit 12 ist in Form eines ringförmigen Hohlraums im obe­ ren Bereich des Zerstäubungskörpers 16 integriert. Der Vor­ ratsbehälter 10 ist über die als umlaufender Ringspalt aus­ gebildete, den Gasführungsteil 50 vom Zerstäubungsteil 52 trennende Austrittsöffnung 18 mit dem Inneren der Zerstäu­ bungszone 14 verbunden. Durch den Ringspalt 18 wird auf die Innenfläche des rohrförmigen Zerstäubungsteils 54 ein aus dem Vorratsbehälter 10 austretender ringförmiger Film 56 des Arbeitsfluids 12 aufgebracht. Die Weite des Austrittsspalts kann zur Steuerung der Flüssigkeitszufuhr mit einem in der Zeichnung nicht dargestellten Mechanismus variiert werden. Die Zuführung des Zerstäubungsfluids 20 erfolgt von oben nach unten über den im Gasführungsteil 50 befindlichen Kanal 58, der im Bereich des Ringspalts 18 in die Zerstäubungszone 14 mündet. Durch die in Fig. 2a bis d dargestellten Anord­ nungen ist eine parallele Strömungsführung des Zerstäubungs­ fluids 20 entlang dem Arbeitsflüssigkeitsfilm 56 an der In­ nenfläche 54 unmittelbar gegeben. Der Zerstäubungsvorgang erfolgt durch instabile Wellenwachstumsvorgänge und Wellen­ abstreifvorgänge durch die Einwirkung der parallelen turbu­ lenten Scherströmung des Zerstäubungsfluids 20 auf der Ober­ fläche 60 des Arbeitsflüssigkeitsfilms 56. Der Zerstäubungs­ fluidstrom zerstäubt somit den stetig an der Innenfläche 54 abfließenden Arbeitsflüssigkeitsfilm 56 und trägt die gebil­ deten Flüssigkeitstropfen 62 aus dem Zerstäubungskörper 16 aus.

Da die zu zerstäubende Arbeitsflüssigkeit als Film 56 auf der Innenfläche 54 abfließt, ergibt sich eine maximale An­ griffsfläche für das im Rohrinneren strömende Zerstäubungs­ fluid. Dadurch ergibt sich eine Zerstäubung des Flüssigkeits­ films auf einer relativ kurzen Zerstäubungsstrecke 22, was die Entstehung einer einheitlichen Teilchengröße fördert. Eine zusätzliche Homogenisierung der Teilchengröße wird ge­ gebenenfalls durch eine gezielt vornehmbare Verengung des Rohrquerschnitts innerhalb der Zerstäubungszone 14 begün­ stigt. Die Querschnittsverengung wird im Falle der Fig. 2c durch einen Rohreinsatz 64 mit variablem Durchmesser und im Falle der Fig. 2d durch einen in seiner Kontur angepaßten Verdrängungskörper 66 verwirklicht. Durch diese Rohrveren­ gung wird die Abnahme der Filmdicke 56 durch den Zerstäu­ bungsprozeß kompensiert. Dadurch wird außerdem die Entste­ hung dünner Filme, die bezüglich des Zerstäubungsvorgangs stabil, d. h. ungünstig sind, weitgehend vermieden. Dies ist eine Voraussetzung dafür, daß die Zerstäubung innerhalb des Düsenrohres und nicht an dessen austrittsseitiger Abrißkante erfolgt. Durch die Querschnittsverengung, die eine Zunahme der Strömungsgeschwindigkeit stromabwärts bewirkt, wird außerdem die reibungsbedingte Geschwindigkeitsabnahme des Zerstäubungsfluids während des Zerstäubungsprozesses kompen­ siert, was für die Erzeugung einer einheitlichen Teilchen­ größe von Vorteil ist. Bei dem in Fig. 2a gezeigten Ausfüh­ rungsbeispiel ist der Gaskanal 58 im Gasführungsteil 50 in Strömungsrichtung rein divergierend ausgebildet. Durch ent­ sprechende Ausgestaltung dieser Führung ist die Gasgeschwin­ digkeit im Zerstäubungsteil einstellbar. Diese Ausführung ist nur für Anwendungen bei Unterschallströmung des Gases geeignet. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2b ist der Gaskanal 58 als Lavaldüse ausgebildet, was eine Zerstäubung des Flüssigkeitsfilms bei Überschallbedingungen ermöglicht. Obwohl in den gezeigten Ausführungsbeispielen der Flüssig­ keitsfilm im Gleichstrom mit der Gasfüllung eingebracht wird, ist es grundsätzlich auch möglich, den Flüssigkeits­ film jeweils im Gegenstrom in die Unterschall- bzw. Über­ schallströmung einzubringen.

Die Zerstäubungsvorrichtung nach Fig. 3a und b weist ein Zerstäubungsrohr 70 auf, das eingangsseitig mit einem gas­ förmigen Zerstäubungsfluid 20 hoher Dichte und Strömungsge­ schwindigkeit beaufschlagt wird und in das ein über den be­ heizten Vorratsbehälter 10 mit Arbeitsflüssigkeit 12 beauf­ schlagter Austrittskanal 26 mit in Gleich- oder Gegenrich­ tung weisender Austrittsöffnung 18 zentral eingreift. Die aus der Austrittsöffnung 18 unter Druck austretende Arbeits­ flüssigkeit 12 wird durch das mit hoher Dichte und Strömungs­ geschwindigkeit ankommende Zerstäubungsfluid 20 zerstäubt und nach dem Zerstäuben rasch abgekühlt. Die Anordnung ist daher besonders für die Zerstäubung von Metallschmelzen ge­ eignet. Die Ausführungsbeispiele nach Fig. 3a und b unter­ scheiden sich darin, daß im ersteren Falle das Zerstäubungs­ rohr 70 als gerades Unterschallrohr und im letzteren Falle als Überschallrohr in Form einer Lavaldüse ausgebildet sind.

Die Theorie zur Abstreifung von Flüssigkeitstropfen aufgrund von Scherströmungsinstabilitäten in Parallelströmung zeigt, daß eine hohe Dichte des Zerstäubungsfluids den Zerstäubungs­ vorgang fördert. Es ist zwar bekannt, Flüssigkeiten hoher Dichte als Zerstäubungsfluide einzusetzen. Dies ist insbe­ sondere bei der Verdüsung von Schmelzen von Bedeutung. Im Unterschied zu den hierfür geläufigen Wasserzerstäubungsver­ fahren, bei denen ein häufig schon weitgehend in Tropfen zerfallener Wasserstrahl schräg auf einen Schmelzestrahl auftrifft, soll jedoch die Zerstäubung nun in Parallelstrom­ konfiguration erfolgen. Mit der dabei auftretenden Verdamp­ fung der Zerstäubungsflüssigkeit ist allerdings wieder eine Reduktion der Dichte verknüpft. Eine weitere Schwierigkeit bei der Verwendung von Zerstäubungsfluiden hoher Dichte kann die verstärkte Beschleunigungswirkung auf die Arbeitsflüs­ sigkeit darstellen. Einstellung und Aufrechterhaltung einer hohen Relativgeschwindigkeit werden dadurch erschwert.

Mit den Anordnungen nach Fig. 3a und b können diese Schwie­ rigkeiten bei der Anwendung von Zerstäubungsfluiden hoher Dichte vermieden werden. Der Arbeitsflüssigkeitsstrahl 12 wird in eine Zerstäubungsfluidströmung 20 in Gleich- oder Gegenrichtung (gestrichelte Darstellung) eingebracht. Durch die Möglichkeit einer Einspritzung in Gegenstromrichtung wird die Einstellung einer definiert hohen Relativgeschwin­ digkeit erleichtert. Die Besonderheit dieser Konzeption be­ steht nun darin, daß die Zerstäubung der Arbeitsflüssigkeit innerhalb eines geschlossenen Strömungskreislaufs des Zer­ stäubungsfluids erfolgt (Fig. 4). Dadurch kann dem Zerstäu­ bungsfluid ein Systemdruck aufgeprägt werden, der die Ver­ dampfung einschränkt bzw. verhindert. Insbesondere können hierbei auch Gase unter hohem Druck, z. B. auch Flüssiggase unter überkritischem Druck, verwendet werden. Die Einschrän­ kung bzw. Verhinderung von Verdampfungsvorgängen bei der Schmelze-Zerstäubung bewirkt neben der positiven Wirkung für die Zerstäubung auch, daß ein hoher Wärmeübergang aufrecht­ erhalten und damit die gewünschte rasche Abkühlung des Me­ tallstaubs erzielt werden kann.

Wie aus dem Ablaufschema gemäß Fig. 4 zu ersehen ist, wird das Zerstäubungsgas 20 unter hohem Druck in das Zerstäubungs­ rohr 70 eingeführt und bringt die aus der Austrittsöffnung 18 unter Druck austretende, im Vorratsbehälter 10 aufgeheiz­ te Metallschmelze 12 in Parallströmung zur Zerstäubung. Das Zerstäubungsgas 20 wird hierbei unter Wärmezufuhr expandiert. In dem nachgeschalteten Expansionsventil 72 wird das staub­ beladene Zerstäubungsgas weiter auf einen vorgegebenen Druck (beispielsweise Atmosphärendruck) entspannt und einem Ab­ scheider 74 zur Abtrennung der Staubpartikel zugeleitet. Während die Staubpartikel über eine Auslaßschleuse 76 aus dem Kreislauf entfernt werden, wird das Gas im Kreislauf durch einen Gaskühler 78 geleitet, bevor es über den Kom­ pressor 80 wieder auf den Zerstäubungsdruck komprimiert und zur Primärseite zurückgeführt wird.

Die beschriebene geschlossene Prozeßführung eignet sich be­ sonders bei Verwendung von Argon als Zerstäubungsgas. Das Argon wird in überkritischem Zustand der Zerstäubungsdüse zugeleitet und auf etwa die Hälfte des Druckes expandiert. Dadurch erhält man einmal die hohe Dichte im Zerstäubungs­ bereich und zum anderen eine hohe Strömungsgeschwindigkeit (lokale Schallgeschwindigkeit) . Die optimale Arbeitstempera­ tur ist relativ niedrig (bei Argon etwa 150 K) . Aufgrund der hohen Dichte des Zerstäubungsgases, der hohen Relativge­ schwindigkeiten und auch der niedrigen Temperaturen ergibt sich eine gute Kühlcharakteristik. Die Metalltröpfchen wer­ den rasch abgekühlt und erstarren daher nahezu momentan im Zuge der Zerstäubung.

Claims (42)

1. Verfahren zum Zerstäuben einer kontinuierlich strömen­ den Arbeitsflüssigkeit mittels eines kontinuierlich strömenden gasförmigen oder flüssigen Zerstäubungs­ fluids, bei welchem der Arbeitsflüssigkeitsstrom (12) und der Zerstäubungsfluidstrom (20, 40) in einer Zer­ stäubungszone (14) unter Ausführung einer Relativbewe­ gung in Kontakt miteinander gebracht werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsflüssigkeitsstrom (12) und der Zerstäubungsfluidstrom (20, 40) entlang einer innerhalb der Zerstäubungszone (14) sich in Strömungs­ richtung erstreckenden Zerstäubungsstrecke (22) bis zur völligen Zerstäubung der Arbeitsflüssigkeit (12) paral­ lel zueinander ausgerichtet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativgeschwindigkeit im Bereich der Kontaktfläche zwischen Arbeitsflüssigkeit (12) und Zerstäubungsfluid (20, 40) entlang der gesamten Zerstäubungsstrecke (22) im wesentlichen konstant gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das gasförmige Zerstäubungsfluid (20) mit Überschallgeschwindigkeit in die Zerstäubungsstrecke (22) eingeleitet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsflüssigkeit (12) in Form eines Flüssigkeitsstrahls und das Zerstäubungsfluid (20, 40) in Form eines den Flüssigkeitsstrahl koaxial umgebenden Ringstrahls entlang der Zerstäubungsstrecke (22) geführt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zerstäubungsfluid (20) in Strömungsrichtung der Arbeitsflüssigkeit (12) in die Zerstäubungsstrecke (22) angesaugt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß am strömungsabseitigen Ende der Zerstäubungszone (14) ein das Zerstäubungsfluid (20) ansaugender Saugfluid­ strom (32) in Strömungsrichtung der Arbeitsflüssigkeit eingeblasen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Arbeitsflüssigkeitsstrahl (12) von einem zweiten gleichgerichteten möglichst direkt anliegenden, koaxialen Zerstäubungsfluidstrom (40) ring­ förmig umgeben in die Zerstäubungsstrecke (22) geleitet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Zerstäubungsfluidstrom (40) mit höherer Ge­ schwindigkeit als der Arbeitsflüssigkeitsstrahl (12) in die Zerstäubungsstrecke (22) eingeblasen wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß entlang der Zerstäubungsstrecke (22) ein den Zerstäubungsfluidstrom (20) radial außenseitig ringförmig abschirmender Abschirmfluidstrom (44) in Strömungsrichtung zugeführt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchsatzmenge der Arbeits­ flüssigkeit (12) des Zerstäubungsfluids (20) sowie des zweiten Zerstäubungsfluids (40) und/oder des Abschirm­ fluids (44) unabhängig voneinander einstellbar sind.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidströme durch ein sich entlang der Zerstäubungsstrecke (22) erstreckendes, die Zerstäubungszone (14) nach außen begrenzendes Führungs­ rohr vorzugsweise gleichgerichtet hindurchgeleitet werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsflüssigkeit (12) in Form eines Ringstroms und das Zerstäubungsfluid (20) in Form eines den Ringstrom axial durchdringenden Fluidstrahls entlang der Zerstäubungsstrecke (22) geführt werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsflüssigkeitsstrom (12) in Form eines ring­ förmigen Flüssigkeitsfilms (56) entlang der Innenfläche (54) eines die Zerstäubungszone (14) radial nach außen begrenzenden Filmführungsrohrs (64) geleitet wird, und daß der Zerstäubungsfluidstrom (20) an der nach innen weisenden Oberfläche des Flüssigkeitsfilms (56) vorbei unter Zerstäubung der Arbeitsflüssigkeit durch das Filmführungsrohr (64) hindurchgeblasen wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Durchsatzmenge der Arbeitsflüssigkeit (12) und des Zerstäubungsfluids (20) unabhängig von­ einander einstellbar sind.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Arbeitsfluids (12) einstellbar ist.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandtemperatur des Filmführungs­ rohrs (64) einstellbar ist.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsflüssigkeit (12) in Form eines zusammenhängenden Strahls in Gleich- oder Gegen­ richtung in den Zerstäubungsfluidstrom (20) eingespritzt wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß als Zerstäubungsfluid Luft oder ein Inertgas, insbesondere Argon, Helium oder Stickstoff, verwendet wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß als Arbeitsflüssigkeit (12) eine Metall- oder Keramikschmelze verwendet wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Zerstäubungsfluid (20) in Strö­ mungsrichtung hinter der Zerstäubungszone (14) vom Arbeitsflüssigkeitsstaub getrennt und in die Zerstäu­ bungszone (14) zurückgeführt wird.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das entstaubte gasförmige Zerstäubungsfluid (20) vor der Zurückführung in die Zerstäubungszone (14) gekühlt und komprimiert wird.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Zerstäubungsfluid auf einen überkritischen Druck komprimiert und in der Zerstäubungszone (14) unter Wärmezufuhr aus dem zu zerstäubenden Arbeitsfluid (12) expandiert wird.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß das staubbeladene Zerstäubungsfluid in Strömungsrichtung hinter der Zerstäubungszone (14) zusätzlich expandiert wird, bevor der Arbeitsfluidstaub abgeschieden wird.

24. Vorrichtung zum Zerstäuben einer strömenden Arbeits­ flüssigkeit (12) mittels eines strömenden gasförmigen oder flüssigen Zerstäubungsfluids (20) mit einer rota­ tionssymmetrisch begrenzten Zerstäubungszone, in der die Arbeitsflüssigkeit (12) durch das Zerstäubungsfluid (20) beaufschlagbar ist und in der diese Fluide unter Ausführung einer Relativbewegung und Zerstäuben der Ar­ beitsflüssigkeit (12) in Kontakt miteinander bringbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsflüssig­ keitsstrom (12) und der Zerstäubungsfluidstrom (20) entlang einer innerhalb der Zerstäubungszone (14) sich in Strömungsrichtung erstreckenden Zerstäubungsstrecke (22) bis zur vollständigen Zerstäubung der ankommenden Arbeitsflüssigkeit parallel zueinander ausgerichtet sind.

25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Zerstäubungsstrecke (22) ein gerades oder di­ vergierendes Förderrohr (50) für das Zerstäubungsfluid (20) vorgeschaltet ist.

26. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Zerstäubungsstrecke ein als Lavaldüse ausge­ bildetes Förderrohr (50) für das gasförmige Zerstäu­ bungsfluid (20) vorgeschaltet ist.

27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 26, gekenn­ zeichnet durch einen mit einem Austrittskanal (26) zen­ tral in die Zerstäubungszone (14) mündenden Vorratsbe­ hälter (10) für die Arbeitsflüssigkeit (12) und eine zum Austrittskanal (26) koaxiale, in die Zerstäubungs­ zone (14) mündende ringförmige Einlaßöffnung (28) für das Zerstäubungsfluid (20).

28. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß das Zerstäubungsfluid (20) über die ringförmige Einlaßöffnung (28) in die Zerstäubungszone (14) ein­ saugbar ist.

29. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß hinter dem strömungsabseitigen Ende der Zerstäu­ bungsstrecke (22) eine Ringdüse (30) zum Einblasen ei­ nes den Zerstäubungsfluidstrom (20) ansaugenden Saug­ fluidstroms (32) angeordnet ist.

30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß der Austrittskanal (26) des Vorrats­ behälters (10) von einem gleichgerichteten, zur Zerstäu­ bungsstrecke (22) hin offenen Ringkanal (36) zum Einbla­ sen eines den Arbeitsflüssigkeitsstrahl (12) ringförmig einschließenden und dicht an diesen anschließenden zwei­ ten Zerstäubungsfluidstroms (40) umgeben ist.

31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß entlang der Zerstäubungsstrecke (22) mindestens eine weitere, radial außenliegende Ringdüse zum Einblasen eines den Zerstäubungsfluidstrom (20) ringförmig nach außen hin abschirmenden Abschirm­ fluidstroms (44) angeordnet ist.

32. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 26, gekenn­ zeichnet durch einen mit einer radial außenliegenden, ringspaltförmigen Austrittsöffnung (18) in das Innere der rotationssymmetrischen Zerstäubungszone (14) mün­ denden Vorratsbehälter (10) für die Arbeitsflüssigkeit, ein im Inneren der Zerstäubungszone (14) an die Aus­ trittsöffnung (18) in Schwerkraftrichtung anschließen­ des, die Zerstäubungsstrecke (22) bildendes Filmführungs­ rohr (52, 64) für einen aus der Austrittsöffnung (18) austretenden Flüssigkeitsfilm (56), sowie ein vor der Austrittsöffnung (18) achszentral in die Zerstäubungs­ zone (14) mündendes Zuführungsrohr (50) für das Zer­ stäubungsfluid (20).

33. Vorrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß das Filmführungsrohr (52, 64) einen von der Aus­ trittsöffnung (18) in Strömungsrichtung abnehmenden freien Querschnitt aufweist.

34. Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß das Filmführungsrohr (52, 64) einen von der Aus­ trittsöffnung in Strömungsrichtung abnehmenden Durch­ messer aufweist.

35. Vorrichtung nach Anspruch 33 oder 34, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in dem Filmführungsrohr (52) ein rotations­ symmetrischer Verdrängungskörper (66) achszentral ange­ ordnet ist.

36. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 32 bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß das Filmführungsrohr (52) und/oder der Verdrängungskörper heizbar ist.

37. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 32 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorratsbehälter (10) als tem­ peraturgeregelter Schmelztiegel ausgebildet ist.

38. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 32 bis 37, dadurch gekennzeichnet, daß die spaltförmige Austrittsöffnung (18) einen einstellbaren Durchtrittsquerschnitt auf­ weist.

39. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 38, gekenn­ zeichnet durch einen eine Außenwand und eine Innenwand aufweisenden Zerstäubungskörper (16), der ein Zuführungs­ rohr (50) für das Zerstäubungsfluid (20) und einen die Zerstäubungszone (14) enthaltenden Zerstäubungsteil (52) sowie ein zwischen Innen- und Außenwand angeord­ neten, den Vorratsbehälter (10) bildenden ringförmigen Hohlraum aufweist, wobei der Ringraum durch einen die Austrittsöffnung (18) bildenden Ringspalt an der Innen­ wand zwischen Zuführungsrohr (50) und Zerstäubungsteil (52) strömungsmäßig mit der Zerstäubungszone (14) ver­ bunden ist.

40. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsflüssigkeit (12) in Form eines zusammenhängenden Strahls in Gleich- oder Gegen­ stromrichtung in das in einem Zerstäubungsrohr (70) strömende Zerstäubungsfluid (20) einspritzbar ist.

41. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 23 zur Zerstäubung eines flüssigen Brennstoffs oder einer Emulsion aus Wasser und Kohlenstaub mittels eines Gases, wie Luft, Sauerstoff oder Wasserstoff innerhalb eines Brenners.

42. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 23, zur Fragmentation einer flüssigen Metall- oder Keramikschmelze mittels eines Gases, wie Luft, Stick­ stoff oder Argon oder mittels einer Flüssigkeit wie Wasser oder eines Flüssiggases.