DE8010058U1 - Vorrichtung zur zerstaeubung von fluessigkeiten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zerstäubung von
Flüssigkeiten, die im wesentlichen aus einem piezoelektrisch angeregten Ultraschall-Koppelschwinger mit einer Zerstäubungsfläche besteht, auf der Kapillarwellen 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 Ϊ

Frequenz und verschiedenen Flüssigkeitsparametern abhängige Anre- \

gungsamplitude der schwingenden Festkörperoberfläche und einer geeig- ·

neten Dicke des Flüssigkeitsfilms. Bei zu dünnem Film können sich i

keine Tröpfchen bilden, bei zu dickem Film werden durch Dämpfung \

in der Flüssigkeit keine effektiven Kapillarwellen angeregt. ;

Um den optimalen flächenspezifischen Zerstäubungsdurchsatz von

2
einigen Litern pro Stunde und cm bei niederviskosen Flüssigkeiten

zu erreichen, muß die Flüssigkeit kontinuierlich so auf die Zerstäuberfläche aufgebracht werden, daß eine möglichst optimale
Filmdicke auf einem möglichst großen Bereich der schwingenden
Fläche aufrechterhalten wird.

Bei der üblichen Flüssigkeitsversorgung durch eine axiale Bohrung des Ultraschall-Zerstäubers ist dies nur bis zu relativ kleinen Durchsätzen unter 5 l/h erreichbar. Bei einer solchen inneren Flüssigkeits zuführung treten jedoch insbesondere bei größerem Durchsatz Kavitationsspratzer auf, die das Tropfenspektrum in unzulässiger Weise verschlechtern. Dieser Effekt kann durch eine äußere Flüssigkeitszuführung über mehrere Röhrchen ausgeschaltet werden. Auch eine solche Ausführungs form ist bei großen Durchsätzen unwirtschaftlich und nicht optimal. Hinzu kommt, daß mit den bekannten Vorrichtungen, z.B. bei der Pulverherstellung, eine Separation nach der Teilchengröße nicht erfolgen kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, mit der unter Vermeidung der Nachteile bekannter Anordnungen mit einem optimalen Wirkungsgrad größere Mengen von Flüssigkeiten zerstäubt werden können. Die erfindungsgemäße Vorrichtung sollte sich ferner auch zur Pulvergewinnung eignen.

Es hat sich nun gezeigt, daß sich diese Aufgabe lösen läßt, wenn bei einer Vorrichtung der eingangs genannten. Art die Zerstäubungsfläche des Ultraschall-Koppelschwingers als ein Biegeresonator mit mindestens einer geneigten bzw. gekrümmten Fläche ausgebildet ist, wobei der Abstand zwischen Zentralbereich des Biegeresonators, auf den die FlüssigkeitsZuführungen gerichtet sind, und dem Schnelleknoten des Koppelschwingers etwa λ/2 beträgt, so daß sich im Zentralbereich des Biegeresonators ein Schnelleknoten befindet. Die vorteilhaften Ausführungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Ansprüchen 2 bis 9 beschrieben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einem üblichen Ultraschall-Koppelschwinger und einem damit mechanisch verbundenen Biegeresonator der gleichen Resonanzfrequenz. Die Verbindung der beiden Teile kann so ausgeführt werden, daß der Biegeresonator als eine selbständige Einheit ausgewechselt werden kann. Im einfachsten Fall ist der Biegeresonator ein radialsymmetrischer Hohlkonus mit einem zylindrischen, zentral von der Spitze ausgehenden Ankoppelstab. Der Ultraschall-Koppelschwinger dient zur Trans-

> 111·

t ϊ

) 1 I

formation der Schnelleamplitude des anregenden, piezoelektrischen Wandlers. Er kann in bekannter Weise als Stufentransformator oder mit konischer, exponentieller oder ähnlicher Kontur ausgeführt sein.

Die durch die Erfindung erzielten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, daß große Flüssigkeitsmengen über eine einzige zentrale Zuführung unter optimalen Bedingungen auf die Zerstäuberfläche gefördert werden können. Ferner wird die Kavitation an den Zuführungsstellen trotz anfänglich großer, lokaler Flüssigketisfilmdicke vermieden. Durch die parabelförmige Nebelcharakteristik wächst der Abstand der Tröpfchen untereinander stetig, so daß sich die übliche Neigung dichter Nebel zur Koagulation stark verringert. Durch die Zunahme des Flugbahndurchmessers mit dem Quadrat des Tropfendurchmessers ist eine Teilchenseparation bei der Pulverherstellung möglich. Die Schrägstellung der Zerstäuberfläche bewirkt, daß eine überkritische Bedämpfung der Zerstäuberschwingung verhindert wird. Die überschüssige Flüssigkeit läuft über den Rand des Zerstäubers ab, ohne dessen Funktion zu beeinträchtigen.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich z.B. bei einer Arbeitsfrequenz von 20 kHz mit einem konischen Biegewellenzerstäuber mit 50 mm Durchmesser bei einer HF-Leistungsaufnahme von weniger als 10 Watt bei etwa 150 l/h Wasser in Tropfen von etwa 40 /um zerstäuben. Bei größerer Konusfläche läßt sich der Durchsatz, der durch Verringerung der Flüssigkeitszufuhr ohne Änderung des Tropfendurchmessers bis auf Null reduziert werden kann, erheblich steigern. Ferner ist die erfindungsgemäße Vorrichtung ohne Schwierigkeiten bei Frequenzen bis etwa 100 kHz einsetzbar. Entsprechend werden bei fast gleichen flächenspezifischen Durchsätzen von einigen l/h und cm die mittleren Tropfendurchmesser kleiner.

Der erfindungsgemäße Ultraschall-Zerstäuber kann insbesondere in Luftbefeuchtern bei Klimaanlagen, Ölbrennern, als Metallzerstäuber zur Pulvergewinnung aus zerstäubten Schmelzen, als Zerstäuber von

Lösungen, Suspensionen und Emulsionen zur Pulvergewinnung durch Abdampfen der flüssigen Komponenten verwendet werden. Sie kann auch in Prozeßkammern bei vermindertem oder erhöhtem Gasdruck, bei niedriger oder hoher Temperatur, inerter oder reaktiver Gasatmosphäre eingesetzt werden, so daß infolge des hohen, mit minimalem Leistungsaufwand erzielbarem Durchsatz viele verfahrenstechnische Anwendungen im industriellen Maßstab denkbar sind.

Die Erfindung wird anhand beiliegender Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in schematischer Vereinfachung

Figur 1 die Gesamtansicht einer Ausführungs form des erfindungsgemäßen Zerstäubers;

Figur 2 a) und b) in Aufsicht und Längsschnitt den konischen Biegeresonator;

Figur 3 im Längsschnitt den erfindungsgemäßen konischen Biegeresonator mit vertikaler Flüssigkeitszuführung;

Figur 4 eine Ausführungs form mit horizontaler Flüssigkeitszuführung;

Figur 5 a) bis e) einige Ausführungsformen für den Biegeresonator und

Figur 6 a) und b) einige Varianten der Flüssigkeitszuführung bei einer Vorrichtung mit umgedrehtem Konus.

Der erfindungsgemäße Ultraschall-Zerstäuber besteht aus einem mittels zweier Piezo-Keramikscheiben 1 angeregten Koppelschwinger 2, der als im Schnelleknoten 3 gestufter Amplitudentransformator ausgebildet ist. Die Länge des schlanken Teils 4 des Amplitudentransformators beträgt etwa λ/2. An dem der Stufung: gegenüber-

_ 7 _ ί

liegenden Ende des Amplitudentransformators befindet sich ein *, Biegeresonator 5 in Form eines Hohlkonus. Die Abmessungen des I; Biegeresonators, d.h. die Dicke, der Durchmesser und der Konus- | winkel, werden so gewählt, daß sich bei der gewünschten Arbeits- ?| frequenz Biegeresonanz mit mehr oder weniger vielen Knotenradien ': und/oder Knotenkreisen ergibt. Vorzugsweise wird eine Eigenresonanz gewählt, bei der der Biegeresonator 5 mit Knotenradien und mit einer vom Zentrum zur Peripherie zunehmenden Amplitude schwingt. Dies wird aus Figur 2 a) und b) deutlich.

Aus Figur 3 geht hervor, daß die zu vernebelnde Flüssigkeit 6 vertikal auf die Spitze des Biegeresonators 5 als ein relativ dicker Strahl von oben zugeführt wird. Da sich an der Spitze des Resonators ein Schnelleknoten befindet, findet dort keine Anre- ■ gung von Kapillarwellen statt. Es kann auch keine Schwingungskavitation auftreten, wie dies bei den zur Zerstäubung erforderlichen Amplituden bei größerer Flüssigkeitsfilmdicke der Fall wäre. Die Flüssigkeit läuft demzufolge ungestört über die Konusfläche ab, wobei sich mit zunehmendem Abstand zum Zentrum die Filmdicke bei gleichzeitig zunehmender Schnelleamplitude des Zerstäubers stetig verringert. Auf diese Weise stellt sich automatisch eine für die Zerstäubung optimale Filmdicke ein. Die Zerstäubung erfolgt dann in herkömmlicher Weise durch Abschnürung von Tröpfchen aus dem Kapillarwellengitter. Durch die Neigung der Konusfläche werden die Tröpfchen axialsymmetrisch vom Zerstäuber weggeschleudert, wobei sich annähernd parabelförmige Flugbahnen ergeben, deren Abstand vom Zentrum etwa proportional zur Schnelleamplitude iP des Wandlers zur Dichte 9 der zerstäubten Flüssigkeit und zum Quadrat des Tröpfchendurchmessers d ist. Der mittlere Tröpfchendurchmesser d folgt in bekannter Weise aus der Kapillarwellenformel

mit 6* = Oberflächenspannung und
= Kapillarwellenlänge.

ι ( I f J

lit

I I I I <

Das Tröpfchenspektrum wird durch eine relativ schmale logarithmische Normalverteilung beschrieben.

Aus Figur 3 geht ferner hervor, daß der Biegeresonator 5 ein Ankopplungsteil 7 besitzt, mit dem er an dem Koppelschwinger befestigt wird.

Die Flüssigkeitszuführung kann in Abänderung der in Figur 3 gezeigten Anordnung auch horizontal erfolgen, wie es in Figur 4 dargestellt ist.

In Figur 5 a) bis e) wird eine Auswahl möglicher Ausführungsformen für den Biegeresonator gezeigt. Wesentlich ist, daß geneigte bzw. gekrümmte Zerstäubungsflächen vorhanden sind und die Flüssigkeit auf den Bereich eines Schnelleknotens bzw. einer Schnelleknotenlinie zugeführt wird. Im Fall einer Knotenlinie, wie es für Figur 5 b) zutrifft, kann die Flüssigkeit entlang der gesamten Schnittkante beider Flächen, z.B. durch eine spaltförmige Öffnung, eingeleitet werden.

Bei der in Figur 6 a) bzw. b) gezeigten Vorrichtung wird ein konischer Biegeresonator 5 mit der Spitze bzw. mit dem Ankoppelteil 7 an dem antreibenden, zylindrischen Teil des Koppelschwingers 2 befestigt, so daß diese Ankopplung eine Umkehrung der eingangs erwähnten Ausführungsformen darstellt. Die Flüssigkeitszuführung erfolgt gemäß Figur 6 a) über eine Ringdüse 8, die um das Ankoppelteil 7 des Biegeresonators angebracht ist. Die Flüssigkeit kann aber auch in beliebig anderer Weise in den Bereich des Schnelleknotens eingeleitet werden, z.B. durch eine axiale Bohrung 9 mit seitlichen Austrittsöffriungen am Konusmantel, wie es in Figur 6 b) dargestellt ist.

Claims (9)

390-26/10/80 CASCH/KRI 3. Dezember 19 81 Aktenzeichen: G 80 10 058.9 BATTELLE - INSTITUT E.V., Frankfurt/Main j. Schutζansρrüehe

1. Vorrichtung zur Zerstäubung von Flüssigkeiten bestehend im wesentlichen aus einem piezoelektrisch angeregten Ultraschall-Koppelschwinger mit einer Zerstäubungsfläche, auf der Kapillarwellen erzeugbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerstäubungsfläche als ein Biegeresonator (5) mit mindestens einer geneigten bzw. gekrümmten Fläche ausgebildet ist, wobei der Abstand zwischen Zentralbereich des Biegeresonators (5), auf den die Flüssigkeitszuführungen (6,8,9) gerichtet sind, und dem Schnelleknoten (3) des Koppelschwingers etwa X/2 beträgt, so daß sich im Zentralbereich des Biegeresonators (5) ein Schnelleknoten befindet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegeresonator (5) in Form eines Hohlkonus ausgebildet ist, der mit mehreren Knotenradien und/oder Knotenkreisen sowie mit einer vom Zentrum zur Peripherie zunehmenden Amplitude schwingt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegeresonator (5) in Form einer Hohlpyramide ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zu zerstäubende Flüssigkeit vertikal in einem Strahl auf die Spitze des Hohlkonus bzw. der Hohlpyramide zuführbar (6) ist,

» f « ι · · rn

♦ · " * t t •fit * ι

I · I

- 2 ■*

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der antreibende zylindrische Teil des Koppelschwingers von außen an die Spitze des Biegeresonators (5) ansetzt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Flüssjgkeitszuführung um das Ankoppelteil (7) des Biegeresonators (5) ein Ring (8) vorgesehen ist, der mehrere Austrittsöffnungen enthält.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Flüssigkeitszuführung das Ankoppelteil (7) des Biegeresonators (5) eine axiale Bohrung (9) enthält, die in der Nähe des Konusmantels mit AustrittsÖffnungen versehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegeresonator (5) zwei im Winkel zueinander geneigte Flächen aufweist und die Flüssigkeit entlang der Schnittkante dieser Flächen zuführbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschall-Koppelschwinger (2) am Schnelleknoten (3) eine Stufung besitzt.