EP0134951A1 - Verfahren und Vorrichtung zum grossflächigen Ausbringen und Verteilen elektrisch leitfähiger Flüssigkeiten - Google Patents
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- B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
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- B05B5/00—Electrostatic spraying apparatus; Spraying apparatus with means for charging the spray electrically; Apparatus for spraying liquids or other fluent materials by other electric means
- B05B5/025—Discharge apparatus, e.g. electrostatic spray guns
- B05B5/0255—Discharge apparatus, e.g. electrostatic spray guns spraying and depositing by electrostatic forces only
Definitions
- the invention relates to a method and a device for dispensing and distributing electrically conductive liquids with a specific resistance ⁇ 10 4 ⁇ .m, in particular aqueous plant protection agent solutions.
- the method has the disadvantage that only organic liquids whose specific electrical resistance is in a certain range (approx. 10 4 ⁇ .m to 10 7 ⁇ .m) can be atomized and separated electrostatically.
- the invention has for its object to develop a method for the large-area distribution of aqueous liquids and the necessary device, wherein the above conditions are met.
- the liquid is discharged from a nozzle or capillary at such a low flow rate that it forms a coherent liquid thread immediately behind the nozzle or capillary, which then disintegrates into individual drops and that by applying an electrical one Voltage on the liquid thread, at least 500 V to earth, the drop size is stabilized and a spray or rain cone is generated, the opening angle of which depends on the level of the voltage.
- the flow rate is preferably adjusted, taking into account the dimensions of the nozzle or the capillary, via the operating pressure so that the length of the continuous liquid thread behind the outlet opening is 2 to 100 mm, preferably 5-20 mm. This is practically achieved for a capillary a few millimeters long at a liquid pressure of 0.1 to 10 bar, preferably 1 to 3 bar.
- the device for carrying out the spraying process is characterized by a multiplicity of fluidically connected nozzle elements which consist of capillaries, each of the capillaries being surrounded by a concentric protective jacket which is at the same electrical potential as the capillaries, and by a high-voltage generator, whose high-voltage side output is conductively connected to the liquid flowing through the capillaries.
- the protective jacket is closed on one side by a base plate and forms a pot, the bottom of which is pierced by the capillary.
- the liquid to be distributed is supplied from a storage container connected to the capillary.
- the spray point, i.e. the end of the capillary is inside the pot.
- the upstream pressure required to maintain the flow is generated by a pump that keeps the reservoir at positive pressure.
- a carrier is provided on which the nozzle elements are arranged and the carrier on a rod-shaped Mount is attached, which contains a battery-operated high-voltage generator, an air pump for generating the pressure on the capillaries and a storage container for the liquid to be distributed.
- a water jet emerging from a simple perforated nozzle or capillary at low speed disintegrates in a defined manner into drops of a certain size.
- the smooth jet part or liquid thread still connected at the exit point shows, after a short initial distance, periodically recurring constrictions, which deepen as the distance from the outlet opening increases, until individual drops are finally separated, the diameter of which is directly related to the diameter of the connected one Beam part stands.
- This process is shown in Fig. 1.
- a liquid jet 2 eg water
- the lower range limit for the speed of the outflowing liquid is reached when no more continuous liquid thread forms at the outlet opening, but instead the liquid drips off.
- the upper limit for the exit velocity of the liquid is given when the laminar flow changes into a turbulent one and the disintegration into drops of the same size is replaced by an atomization process, with a wide spread of the drop sizes occurring.
- the decay of a liquid thread into drops described here is referred to as "natural jet decay".
- a wide-open cone (rain cone) is made up of electrically charged droplets, which can be deposited specifically on grounded objects. This process is shown in Fig. 2.
- the flow conditions are the same as in the jet decay according to FIG. 1, but with an electrical voltage of 10 kV with respect to earth, which is applied to the continuous liquid thread 2.
- the capillary 1 consists of an electrically conductive material, for example metal, and has a ratio of length to diameter of approximately 50: 1.
- the liquid pressure at the capillary is set to values from 0.1 to 10 bar, preferably in the range from 1 to 3 set in bar. Under these conditions it follows the capillary is a coherent liquid thread with a length of 2 to 100 mm, preferably 5 to 20 mm.
- simple hole nozzles can also be used for the jet generation, the hole diameter of which is in the range from 50 ⁇ m to 500 ⁇ m, preferably between 100 ⁇ m and 200 ⁇ m.
- the ratio between length and width of the perforated nozzle is, for example, 3: 1.
- An important role is played by the fact that it is a conductive liquid whose specific resistance is ⁇ 10 4 ⁇ .m. There is no limit to the resistance.
- the liquid can be of any conductivity.
- the electrically charged drops according to FIG. 2 show clearly diverging flight paths.
- the light satellite drops 5 leave the immediately after the formation Main trajectory and then move towards the next grounded body in the area.
- the normal drops formed from the bulk of the outflowing liquid later disengage and increase their mutual distance. This leads to the formation of the above-mentioned rain cone 10 with the opening angle cG.
- the drops remain in their original size even over flight paths of 1 m length and more.
- the effect of the electric field is based on two effects, namely the prevention of recombination into larger drops and the formation of a cone due to the electrostatic repulsion.
- the opening angle of the rain cone can be set to small or large depending on the height of the ejection speed at the capillary (liquid pressure), the jet thickness and the electrical voltage. This provides the opportunity for targeted droplet separation.
- a plant stand can either be sprayed flat, the charged droplets preferably reaching the upper parts of the plant, or it is sprayed on steeply; then the droplets are only separated in the lower parts of the stand.
- the depth of penetration of the droplets can thus be adapted to the particular requirements of the plant stands.
- Fig. 3a, b it is shown how by changing the liquid pressure in the nozzle and the verbun which jet exit speed can control the depth of penetration of the drops into dense plant populations.
- the beam is at a voltage of -15 kV, which is maintained by the high voltage device 10.
- Below the nozzle are two plants 11 and 12 of a larger plant population. The height of the plants is 0.5 m. The distance from the plant tip to the nozzle is 0.3 m.
- the rain cone 13 opens above the plants 11 and 12.
- the nozzle or the capillary 18 is arranged above the plant stock 19 so that they emerge de Liquid thread initially runs horizontally.
- the high voltage generator is omitted here.
- the rain cone generated is braked by the air resistance and then settles at a lower speed in the upper parts of the plants of the stand 19, so that only a small penetration depth is achieved.
- the beam direction is rotated through 90 ° relative to the first position; ie the capillary 21 is arranged vertically here.
- the high voltage source is not shown.
- the rain cone falls out of the capillary 21 into the plant stand 22 at a higher speed than in the arrangement according to FIG. 4a, since gravity acts in the same direction.
- a space charge cloud 23 is formed by a plurality of nozzles 25 oriented in parallel high charge density in front of the target object 24.
- Fig. 5b shows another possibility to build a high Jardinladun g s Why means of a plurality of nozzles 26.
- the nozzles are oriented so here that the extension of the liquid filaments, ie, the initial directions of the beams at the location of the space charge 27 cross each other, whereby a strong Precipitation field on target object 28 arises.
- the nozzles are set up at a greater distance from each other and the jet directions are concentrated in one point of the room.
- Fig. 6 shows a complete liquid distribution device, which is so compact and handy that it can be operated as a portable device by one person. It consists of a head 29, the liquid filter 30, the liquid valve 31, the reservoir 32 for the liquid to be distributed, a high-voltage generator 33, a battery housing 34 and an air pump 35. All parts are received by a rod-shaped holder 36 made of insulating material. The grounding of the electrical system is provided by a grounding cable 37, the free end of which lies on the ground or is in electrical connection with the object to be treated.
- the air pump 35 pumps air into the container 32, which is partially filled with the liquid. Part of the volume remains free, for example, 30% for the compressed air (air cushion). The pressure in this volume is increased to 2 to 3 bar.
- the valve 38 prevents the liquid from flowing back.
- the distributor head 29 is placed under high voltage of, for example, 50 kV by switching on the high-voltage generator 33 via the switch 39, which closes the primary circuit. When the valve 31 is opened, the liquid flows out through the distributor head 29 and is applied over a large area in the manner indicated above.
- the distributor head 29 is shown in FIG. 7. In principle, it consists of a plurality of fluidically connected nozzle elements which are connected to the liquid container 32 via the line 44.
- Short capillary tubes are very suitable for generating thin liquid jets, but they are very sensitive to contamination and damage when they come into direct contact with other objects, e.g. Plants, are. For this reason, the capillary is protected by a concentric jacket. Although the formation of an electric field is suppressed by the shielding effect of the jacket with the same potential of the protective jacket, there is no impairment of the spraying process.
- the contiguous first section of the liquid thread which projects beyond the edge of the protective jacket, is because of the conductivity of the liquid a replacement for a tip electrode, on which the field is built up outside the cylinder, which is required for charging the drops.
- the capillary 47 is inserted into the base plate of a pot 48 and thus forms a nozzle element 40 which is pressed into corresponding bores in the distributor head 29.
- the immersion depth is limited by the protruding edge 42 (collar of the pot 48).
- the free end of the capillaries 47 dips into the liquid channel 43, which in turn is connected to the feed pipe 44.
- each nozzle element 40 is wrapped in a ring 45 made of elastic material, the circumference of which is larger than the circumference of the carrier 41 for the nozzle elements.
- the ring 46 is drilled on its upper side (FIG. 7) and screwed to the carrier 41 on the opposite side (46). Through the bore in the elastic ring, the nozzle element 40 is now inserted into the carrier 41 in such a way that the collar 42 of the protective jacket 48 projects beyond the bore and thus forms a stop (see FIG. 8).
- the diameter of the elastic ring 45 is 5 to 50 mm, preferably 10 to 30 mm.
- the length of the carrier 41 and the packing density of the nozzle elements 40 can be adapted to the needs. The latter is only limited by the mutual contact of the components.
- the level of the optimal operating voltage depends on the dimensions of the equipment. It must therefore be determined experimentally. For a single nozzle element with a 100 ⁇ m capillary width and a distant counter electrode (at least 0.5 m), the optimal operating voltage is approx. 10 kV. The upper limit for the operating voltage is approx. 50 kV.
- a great advantage of the device described, compared to known devices for generating electrically charged spray mist, is that no counter electrode with earth potential is required in the immediate vicinity of the high-voltage nozzle unit. This fact enables the use of very long insulating distances between the live parts of the arrangement. Malfunctions caused by damp air or pollution of the isolators can thus largely be ruled out. It is also important that only very small currents flow (order of magnitude pA), so that the battery used for power supply has a long service life and the high voltage generator can have a high internal resistance. In this way, danger to people from high voltage is avoided.
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausbringen und Verteilen elektrisch leitfähiger Flüssigkeiten mit einem spezifischen Widerstand <104Ω.m, insbesondere von wäßrigen Pflanzenschutzmittellösungen.
- Das Versprühen von Flüssigkeiten, insbesondere von Lösungen oder Dispersionen unter Einwirkung elektrischer Felder ist aus verschiedenen Gebieten der Technik bekannt. Als Beispiele seien die Beschichtung mit Lacken in der Autoindustrie und die großflächige Anwendung von Pflanzenschutzmitteln in der Landwirtschaft genannt. Pflanzenschutzpräparate werden in bekannter Weise als Dispersionen in Wasser in Form von Suspensionen oder Emulsionen unter Anwendung von Düsen oder Rotationszerstäubern über den zu behandelnden Pflanzenbeständen versprüht und mit mehr oder weniger gutem Erfolg auf den Blättern der Pflanzen, hauptsächlich an der Oberseite der freistehenden Blätter niedergeschlagen.
- Damit die Pflanzenschutzmittel optimal wirksam werden können, ist es jedoch notwendig, daß auch die Unterseite der Blätter und die Stengel von dem versprühten Präparat getroffen werden. Beim Versprühen im Freien wird häufig ein Teil des Sprühnebels durch den Wind abgetrieben und zu anderen Pflanzen getragen, die nicht behandelt werden sollen. Ferner geht ein großer Teil durch Absinken zum Erdboden oder durch Abtrift verloren. Aus diesem Grund wurde ein Verfahren angegeben, bei dem das gelöste Präparat an einer hochspannungführenden Elektrode elektrostatisch zerstäubt wird, wobei die entstehenden, sehr feinen Aerosoltröpfchen unipolar hoch aufgeladen sind. Mit diesem Verfahren kann die Flüssigkeit auf geerdeten Objekten wirkungsvoller abgeschieden werden, da die Pflanzen als Gegenelektrode zur Zerstäubungselektrode die geladenen Tröpfchen anziehen. Das Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß nur organische Flüssigkeiten, deren spezifischer elektrischer Widerstand in einem bestimmten Bereich liegt (ca. 104Ω.m bis 107Ω.m), elektrostatisch zerstäubt und abgeschieden werden können. Insbesondere können wäßrige Lösungen wegen der zu hohen Oberflächenspannung und wegen des zu niedrigen spezifischen Widerstandes (g~ = 5,73i.m) nicht verarbeitet werden.
- Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die hochgeladenen, sehr feinen Tröpfchen vor allem bei dichten Pflanzenbeständen nur an den außenliegenden Teilen der Pflanzen abgeschieden werden, nicht aber in die elektrisch abgeschirmten inneren Teile der Bestände eindringen. Ferner läßt sich die Aufladungshöhe der Tropfen nicht auf einfache Weise steuern, da nur eine hohe Aufladung der Flüssigkeit am Rande der Sprühelektrode den Zerstäubungseffekt einleitet. Bei der Reduzierung der Elektrodenspannung geht lediglich der Zerstäubungsvorgang in ein Abtropfen der Flüssigkeit über.
- Aus praktischen Erfahrungen beim Aufbringen von Pflanzenschutzmitteln ergeben sich folgende Anforderungen:
- 1. Wäßrige, nicht brennbare Formulierungen sind organischen Flüssigkeiten vorzuziehen.
- 2. Die Tropfengrößen sollen im Bereich von 100 - 250 µm liegen.
- 3. Die Eindringtiefe der Flüssigkeitstropfen in den Pflanzenbestand soll einstellbar sein. Unter der "Eindringtiefe" wird dabei der Bereich verstanden, der beim Sprühvorgang von oben her gesehen; d.h. von der Spitze der Pflanze aus, erfaßt wird. Die Eindringtiefe könnte z.B. durch Veränderung der Tropfengröße oder durch Veränderung der Tropfenladung variiert werden. Schwere, ungeladene Tropfen fallen auf dem kürzesten Wege zu Boden. Dagegen werden leichte, hochgeladende Tröpfchen aus der Flugbahn des freien Falles am stärksten abgelenkt und von den am weitesten hervorstehenden Teilen der Pflanzen angezogen. Beide Extremfälle sind unerwünscht. Angestrebt wird vielmehr ein Verfahren, daß die gezielte Einstellung des Verhältnisses von Tropfenladung zu Tropfenmasse ermöglicht, da auf diese Weise die Zonen zwischen den obersten und den untersten Schichten der Bestände erfaßt werden können.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur großflächigen Verteilung von wäßrigen Flüssigkeiten und die dazu notwendige Vorrichtung zu entwickeln, wobei die obengenannten Bedingungen erfüllt werden.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man die Flüssigkeit mit einer so geringen Strömungsgeschwindigkeit aus einer Düse oder Kapillare austreten läßt, daß sie unmittelbar hinter der Düse bzw. Kapillare einen zusammenhängenden Flüssigkeitsfaden bildet, der anschließend in einzelne Tropfen zerfällt und daß durch Anlegen einer elektrischen Spannung an den Flüssigkeitsfaden, mindestens 500 V gegenüber Erde, die Tropfengröße stabilisiert und ein Sprüh- bzw. Regenkegel erzeugt wird, dessen öffnungswinkel von der Höhe der Spannung abhängt.
- Vorzugsweise stellt man die Strömungsgeschwindigkeit unter Berücksichtigung der Abmessungen der Düse bzw. der Kapillare über den Betriebsdruck so ein, daß die Länge des zusammenhängenden Flüssigkeitsfadens hinter der Austrittsöffnung 2 bis 100 mm, vorzugsweise 5-20 mm, beträgt. Praktisch erreicht man dies für eine wenige Millimeter lange Kapillare bei einem Flüssigkeitsdruck von 0,1 bis 10 bar, vorzugsweise 1 bis 3 bar.
- Es wurde gefunden, daß man die Eindringtiefe der Tröpfchen bei dichten Pflanzenbeständen durch Veränderung des Flüssigkeitsdruckes steuern kann.
- Die Vorrichtung zur Durchführung des Sprühverfahrens ist gekennzeichnet durch eine Vielzahl von strömungstechnisch parallel geschalteten Düsenelementen, die aus Kapillaren bestehen, wobei jede der Kapillaren von einem konzentrischen Schutzmantel umgeben ist, der sich auf dem gleichen elektrischen Potential befindet wie die Kapillaren, sowie durch einen Hochspannungsgenerator, dessen hochspannungsseitiger Ausgang mit der durch die Kapillaren strömenden Flüssigkeit leitend verbunden ist. Dabei ist der Schutzmantel einseitig durch eine Bodenplatte abgeschlossen und bildet einen Topf, dessen Boden von der Kapillare durchbrochen wird. Die zu verteilende Flüssigkeit wird von einem mit der Kapillare verbundenen Vorratsbehälter geliefert. Die Sprühstelle, d.h. das Ende der Kapillare befindet sich innerhalb des Topfes. Der zur Aufrechterhaltung der Strömung notwendige Vordruck wird mit einer Pumpe erzeugt, die den Vorratsbehälter auf überdruck hält.
- Die gesamte Vorrichtung läßt sich raumsparend aufbauen. Insbesondere kann ein tragbares Sprühgerät realisiert werden, das nach diesem Prinzip arbeitet. Dementsprechend besteht eine Weiterentwicklung der Erfindung darin, daß ein Träger vorgesehen ist, an dem die Düsenelemente angeordnet sind und der Träger an einer stabförmigen Halterung angebracht ist, die einen batteriebetriebenen Hochspannungsgenerator, eine Luftpumpe zur Erzeugung des Vordruckes an den Kapillaren und einen Vorratsbehälter für die zu verteilende Flüssigkeit enthält.
- Spezielle Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
- Mit der Erfindung werden folgende Vorteile erzielt:
- a) Es wurde gefunden, daß sich mit dem neuen Verfahren wäßrige Lösungen, ebenso wie Salzlösungen sowie wäßrige Suspensionen und Emulsionen problemlos versprühen und auf Zielobjekten niederschlagen. Derartige Flüssigkeiten können bekanntlich auf rein elektrostatischem Wege nicht zerstäubt werden.
- b) Die Tropfenaufladung oder das Ladung/Masseverhältnis der Tropfen ist durch die Höhe der angelegten Spannung bestimmt und kann in weiten Grenzen eingestellt werden. Damit ergibt sich die Möglichkeit, die Sprühcharakteristik über die elektrische Spannung zu steuern. Dieser Vorteil, der für die Anwendung von Pflanzenschutzformulierungen von großer Wichtigkeit ist, kann bei den bekannten rein elektrostatischen Verfahren für die Zerstäubung von Flüssigkeiten ebenfalls nicht erreicht werden.
- c) Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß nur relativ niedrige Flüssigkeitsdrucke erforderlich sind. Der notwendige Vordruck kann mit Hilfe von Pumpen einfacher Bauart erzeugt werden.
- d) Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit geringem apparativem Aufwand verwirklicht werden. Insbesondere kann die Vorrichtung so kompakt und raumsparend aufgebaut werden, daß nunmehr tragbare, leicht zu bedienende Sprühgeräte für wäßrige Pflanzentschutzformulierungen zur Verfügung stehen.
- e) Da bei dem Verfahren nur relativ große Tropfen mit einem engen Tropfengrößenspektrum entstehen, werden gesundheitsschädliche Aerosole bzw. Nebel (Personengefährdung durch Einatmen) vermieden.
- Bevor die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und. Zeichnungen näher beschrieben wird, soll im folgenden das Prinzip und die physikalischen Grundbedingungen des neuen Verfahrens genauer erläutert werden. Es zeigen
- Fig. 1 den Zerfall eines Flüssigkeitsfadens in Tropfen nach dem Austritt aus einer Kapillare;
- Fig. 2 die Erzeugung eines Regenkegels durch Anlegen einer elektrischen Spannung an den Flüssigkeitsfaden;
- Fig. 3a,b die Steuerung der Eindringtiefe des Regenkegels bei der Behandlung von Pflanzenbeständen;
- Fig. 4a,b die Steuerung der Eindringtiefe des Regenkegels durch Änderung der Richtung;
- Fig. 5a,b eine Möglichkeit zur Erhöhung der Raumladungsdichte am Zielort durch mehrere gerichtete Regenkegel;
- Fig. 6 schematisch ein komplettes tragbares Verteilgerät;
- Fig. 7 den bei der Vorrichtung gemäß Fig. 6 verwendeten Träger mit Düsenelementen und
- Fig. 8 ein einzelnes Düsenelement.
- Bekanntlich zerfällt ein mit geringer Geschwindigkeit aus einer einfachen Lochdüse oder Kapillare austretender Wasserstrahl in definierter Weise in Tropfen bestimmter Größe. Der an der Austrittsstelle noch zusammenhängende glatte Strahlteil bzw. Flüssigkeitsfaden zeigt nach einer kurzen Anfangsstrecke periodisch wiederkehrende Einschnürungen, die sich mit größer werdendem Abstand von der Austrittsöffnung vertiefen, bis es schließlich zur Abtrennung einzelner Tropfen kommt, deren Durchmesser in direktem Zusammenhang mit dem Durchmesser des zusammenhängenden Strahlteils steht. Dieser Vorgang ist in Fig. 1 dargestellt. Aus der Kapillare 1 mit dem Durchmesser 100 µm wird ein Flüssigkeitsstrahl 2 (z.B. Wasser) mit einer Geschwindigkeit V = 6 m/Sek. ausgestoßen, dessen Form zunächst auf einer Strecke von einigen cm Länge zylindrisch bleibt, danach aber an der Oberfläche Einschnürungen 3 zeigt, die sich in gleichen Abständen wiederholen und dabei weiter vertiefen, bis sich schließlich einzelne Tropfen 4 von dem Strahl ablösen.
- Die untere Bereichsgrenze für die Geschwindigkeit der ausströmenden Flüssigkeit ist dann erreicht, wenn sich an der Austrittsöffnung kein zusammenhängender Flüssigkeitsfaden mehr ausbildet, sondern die Flüssigkeit abtropft. Die obere Grenze für die Austrittsgeschwindigkeit der Flüssigkeit ist dann gegeben, wenn die Laminarströmung in eine turbulente übergeht und der Zerfall in Tropfen gleicher Größe durch einen Zerstäubungsvorgang ersetzt wird, wobei eine breite Streuung der Tropfengrößen eintritt. Der hier beschriebene Zerfall eines Flüssigkeitsfadens in Tropfen wird als "natürlicher Strahlzerfall" bezeichnet.
- Der Durchmesser d der Tropfen 4 beim natürlichen Strahlzerfall läßt sich aus dem Strahldurchmesser D und dem Abstand der Einschnürungen bzw. der Zerfallswellenlänge λ nach folgender Formel berechnen:
- überraschenderweise wurde gefunden, daß man die Rekombination zu größeren Tropfen verhindern kann, wenn an den zusammenhängenden Teil des elektrisch leitfähigen Flüssigkeitsfadens eine elektrische Spannung gegenüber Erde angelegt wird. Die Tropfen bleiben dann in ihrer Originalgröße erhalten und erreichen unverändert den Auffänger, auch wenn dieser weit entfernt ist. Darüber hinaus entsteht ein weit geöffneter Kegel (Regenkegel) aus elektrisch geladenen Tröpfchen besteht, die sich gezielt auf geerdeten Objekten abscheiden lassen. Dieser Vorgang ist in Fig. 2 dargestellt. Die Strömungsbedingungen sind die gleichen wie bei dem Strahlzerfall gemäß Fig. 1, jedoch mit einer elektrischen Spannung von 10 kV gegenüber Erde, die an den zusammenhängenden Flüssigkeitsfaden 2 angelegt wird. Die Kapillare 1 besteht aus elektrisch leitfähigem Material, z.B. Metall, und hat ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser von ca. 50 : 1. Der Flüssigkeitsdruck an der Kapillare wird auf Werte von 0,1 bis 10 bar, vorzugsweise im Bereich von 1 bis 3 bar eingestellt. Unter diesen Bedingungen ergibt sich an der Kapillare ein zusammenhängender Flüssigkeitsfaden mit einer Länge von 2 bis 100 mm, vorzugsweise 5 bis 20 mm. Anstelle von Kapillaren können für die Strahlerzeugung auch einfache Lochdüsen verwendet werden, deren Lochdurchmesser im Bereich von 50 um bis 500 µm, vorzugsweise zwischen 100 µm und 200 µm, liegt. Das Verhältnis zwischen Länge und Weite der Lochdüse beträgt dabei z.B. 3:1.
- Die Hochspannung im Bereich von 10 bis 50 kV, die von dem Hochspannungsgerät 8 geliefert wird, wird über die Kapillare 1 an den zusammenhängenden Flüssigkeitsfaden 2 angelegt. Durch die Spannung und das dadurch hervorgerufene elektrische Feld wird an der Oberfläche des leitfähigen Flüssigkeitsfadens eine elektrische Ladung hoher Dichte influenziert, wobei die höchste Dichte der Oberflächenladung am Ende des Flüssigkeitsfadens, etwa an der Stelle 9 auftritt. Die sich ablösenden Tropfen 4 und 5 übernehmen dabei einen Teil dieser Oberflächenladung. Eine wesentliche Rolle spielt dabei, daß es sich um eine leitfähige Flüssigkeit handelt, deren spezifischer Widerstand <104Ω.m ist. Nach unten ist dem Widerstand keine Grenze gesetzt. Die Flüssigkeit kann beliebig gut leitfähig sein.
- Zum Unterschied von der Flugbahn der ungeladenen Tropfen im ersten Abschnitt nach Fig. 1, die nur wenig von der ursprünglichen Strahlrichtung abweicht, zeigen die elektrisch geladenen Tropfen gemäß Fig. 2 deutlich auseinanderstrebende Flugbahnen. Die leichten Satellitentropfen 5 verlassen unmittelbar nach der Entstehung die Hauptflugbahn und bewegen sich dann auf den nächsten, geerdeten Körper in der Umgebung hin. Die aus der Hauptmenge der ausströmenden Flüssigkeit gebildeten normalen Tropfen lösen sich später aus der Reihe und vergrößern ihren gegenseitigen Abstand. Dies führt zur Ausbildung des oben erwähnten Regenkegels 10 mit dem öffnungswinkel cG. Die Tropfen bleiben auch über Flugstrecken von 1 m Länge und mehr in ihrer Originalgröße erhalten. Die Wirkung des elektrischen Feldes beruht also auf zwei Effekten, nämlich der Verhinderung der Rekombination zu größeren Tropfen und die Ausbildung eines Kegels aufgrund der elektrostatischen Abstoßung. Die Änderung der Polarität der Ladung ist ohne Auswirkung auf diese Effekte. Je nach der Höhe der im zugelassenen Bereich möglichen Ausstoßgeschwindigkeit an der Kapillare (Flüssigkeitsdruck), nach der Strahldicke und der elektrischen Spannung läßt sich der öffnungswinkel des Regenkegels klein oder groß einstellen. Damit ist die Möglichkeit für eine zielgerichtete Abscheidung der Tröpfchen gegeben. Durch die Einstellung der Richtung kann beispielsweise ein Pflanzenbestand entweder flach angesprüht werden, wobei die geladenen Tröpfchen bevorzugt die oberen Pflanzenteile erreichen, oder er wird steil angesprüht; dann werden die Tröpfchen erst in den tiefer liegenden Teilen des Bestandes zur Abscheidung gebracht. Die Eindringtiefe der Tröpfchen kann also den jeweiligen Anforderungen der Pflanzenbestände angepaßt werden.
- In Fig. 3a,b wird gezeigt, wie durch Veränderung des Flüssigkeitsdruckes in der Düse und der damit verbundenen Strahlaustrittsgeschwindigkeit die Eindringtiefe der Tropfen in dichte Pflanzenbestände gesteuert werden kann. Im Teilbild a wird Wasser aus einer Düse 9 mit der lichten Weite d = 100 µm bei einem Druck von P1 = 0,6 bar mit einer mittleren Ausspritzgeschwindigkeit V1 = 5,6 m/s ausgestoßen. Der Strahl liegt an einer Spannung von -15 kV, die durch das Hochspannungsgerät 10 aufrechterhalten wird. Unterhalb der Düse befinden sich zwei Pflanzen 11 und 12 eines größeren Pflanzenbestandes. Die Höhe der Pflanzen beträgt 0,5 m. Der Abstand von der Pflanzenspitze bis zur Düse beträgt 0,3 m. Der Regenkegel 13 öffnet sich oberhalb der Pflanzen 11 und 12. Die Tropfen werden bei der geringen kinetischen Energie des Flüssigkeitsfadens durch die Luftreibung schnell abgebremst und durch Coulomb'sche Kräfte in den oberen Teilen der Pflanzen 11 und 12 quantitativ zur Abscheidung gebracht. Im Teilbild b wird bei gleicher Spannung, jedoch mit dem Druck von 3 bar und der Austrittsgeschwindigkeit V2 K 16,8 m/s aus der Düse 14 gesprüht. Die wirksame Abbremsung der Tropfenbewegung erfolgt hier erst im unteren Teil der Pflanzen 15 und 16, wonach die elektrostatischen Anziehungskräfte überwiegen und die Tropfen in diesem Bereich zur Abscheidung bringen. Der Kegel 17 ist weniger weit geöffnet als der Kegel 13. In beiden Fällen (a und b) bleibt die Tropfengröße und die Aufladung nahezu gleich, so daß die Tendenz zur gezielten Abscheidung nach dem Abbremsen der Fallgeschwindigkeit erhalten bleibt.
- Gemäß Fig. 4a ist die Düse bzw. die Kapillare 18 über dem Pflanzenbestand 19 so angeordnet, daß der austretende Flüssigkeitsfaden zunächst horizontal verläuft. Der Hochspannungsgenerator ist hier weggelassen. Der erzeugte Regenkegel wird durch den Luftwiderstand abgebremst und schlägt sich dann mit geringerer Geschwindigkeit in den oberen Teilen der Pflanzen des Bestandes 19 nieder, so daß nur eine geringe Eindringtiefe erzielt wird. Gemäß Fig. 4b ist die Strahlrichtung um 90° gegen die erste Stellung gedreht; d.h. die Kapillare 21 ist hier vertikal angeordnet. Die Hochspannungsquelle ist, wie in Fig. 4a, nicht eingezeichnet. Der Regenkegel fällt aus der Kapillare 21 in den Pflanzenbestand 22 mit höherer Geschwindigkeit als wie bei der Anordnung nach Fig. 4a, da die Schwerkraft in der gleichen Richtung wirkt. Daraus resultiert eine größere Eindringtiefe. Der Niederschlag erfolgt dann bevorzugt in den unteren Teilen der einzelnen Pflanzen. Es leuchtet ein, daß man mit anderen Stellungen der Düsen zwischen diesen beiden Extremlagen 18 und 21 die Eindringtiefe beliebig variieren kann. Man hat es also in der Hand, die Eindringtiefe des Regenkegels in dichte Pflanzenbestände durch Änderung der Ausstoßrichtung der Flüssigkeit zu steuern. Bewegt man eine Reihenordnung solcher Düsen parallel zum Boden über ein Feld (gezeichnete Pfeile), so können großflächige Pflanzungen besprüht werden.
- Durch gleichzeitige Anwendung einer Vielzahl von Düsenelementen kann die durch die Tropfen erzeugte Raumladung in der nächsten Umgebung des Zielobjektes konzentriert werden. So wird nach Fig. 5a durch eine Vielzahl parallel orientierter Düsen 25 eine Raumladungswolke 23 mit hoher Ladungsdichte vor dem Zielobjekt 24 aufgebaut. Fig. 5b zeigt eine andere Möglichkeit zum Aufbau einer hohen Raumladungsdichte mittels einer Vielzahl von Düsen 26. Die Düsen sind hier so orientiert, daß sich die Verlängerung der Flüssigkeitsfäden, d.h. die Anfangsrichtungen der Strahlen am Ort der Raumladung 27 kreuzen, wodurch ein starkes Niederschlagsfeld am Zielobjekt 28 entsteht. Die Düsen sind hier in größerem Abstand voneinander aufgestellt und die Strahlrichtungen in einen Punkt des Raumes konzentriert.
- Die Fig. 6 zeigt ein komplettes Flüssigkeits-Verteilgerät, das so kompakt und handlich aufgebaut ist, daß es als tragbares Gerät von einer Person bedient werden kann. Es besteht aus einem Kopf 29, dem Flüssigkeitsfilter 30, dem Flüssigkeitsventil 31, dem Vorratsbehälter 32 für die zu verteilende Flüssigkeit, einem Hochspannungsgenerator 33, einem Batteriegehäuse 34 und einer Luftpumpe 35. Alle Teile werden von einer stabförmigen Halterung 36 aus isolierendem Material aufgenommen. Die Erdung des elektrischen Systems ist durch ein Erdungskabel 37 gegeben, dessen freies Ende auf dem Erdboden liegt oder mit dem zu behandelnden Objekt in elektrischer Verbindung steht.
- Um das Gerät in Betrieb zu setzen, pumpt'man mit der Luftpumpe 35 Luft in den Behälter 32, der teilweise mit der Flüssigkeit gefüllt ist. Dabei bleibt ein Teil des Volumens z.B. 30 % für die komprimierte Luft (Luftkissen) frei. Der Druck in diesem Volumen wird auf 2 bis 3 bar erhöht. Das Ventil 38 verhindert dabei das Zurückströmen der Flüssigkeit. Der Verteilerkopf 29 wird durch Einschalten des Hochspannungsgenerators 33 über den Schalter 39, der den Primärstromkreis schließt, unter Hochspannung von z.B. 50 kV gesetzt. Beim öffnen des Ventils 31 strömt die Flüssigkeit durch den Verteilerkopf 29 aus und wird in der oben angegebenen Weise großflächig ausgebracht.
- Der Verteilerkopf 29 ist in Fig. 7 dargestellt. Er besteht im Prinzip aus einer Vielzahl von strömungstechnisch parallel geschalteten Düsenelementen, die über die Leitung 44 mit dem Flüssigkeitsbehälter 32 verbunden sind. Zur Erzeugung dünner Flüssigkeitsstrahlen eignen sich sehr gut kurze Kapillarröhrchen, die jedoch sehr empfindlich gegen Verschmutzung und Beschädigung bei direkter Berührung mit anderen Gegenständen, z.B. Pflanzen, sind. Aus diesem Grund wird hier die Kapillare durch einen konzentrischen Mantel geschützt. Obwohl bei gleichem Potential des Schutzmantels die Ausbildung eines elektrischen Feldes durch die abschirmende Wirkung des Mantels unterdrückt wird, findet keine Beeinträchtigung des Sprühvorgangs statt. Der zusammenhängende erste Abschnitt des Flüssigkeitsfadens, der den Rand des Schutzmantels überragt, stellt nämlich wegen der Leitfähigkeit der Flüssigkeit den Ersatz für eine Spitzenelektrode dar, an der sich außerhalb des Zylinders das Feld aufbaut, das für die Aufladung der Tropfen erforderlich ist.
- Gemäß Fig. 7 wird die Kapillare 47 in die Bodenplatte eines Topfes 48 eingesetzt und bildet so ein Düsenelement 40, das in entsprechende Bohrungen des Verteilerkopfes 29 eingepreßt ist. Durch den überstehenden Rand 42 (Kragen des Topfes 48) wird die Eintauchtiefe begrenzt. Das freie Ende der Kapillaren 47 taucht in den Flüssigkeitskanal 43 ein, der seinerseits mit dem Zuleitungsrohr 44 verbunden ist.
- Da die Kapillaren 47 bei längerem Einsatz durch Ablagerungen leicht verschmutzen können (Verkrustungen) ist eine Einrichtung für den einfachen schnellen Wechsel der Düsenelemente 40 erforderlich. Zu diesem Zweck ist jedes Düsenelement 40 von einem Ring 45 aus elastischem Material umschlungen, dessen Umfang größer ist als der Umfang des Trägers 41 für die Düsenelemente. Der Ring 46 ist an seiner Oberseite (Fig. 7) durchbohrt und an der gegenüberliegenden Seite mit dem Träger 41 verschraubt (46). Durch die Bohrung im elastischen Ring ist nun das Düsenelement 40 derart in den Träger 41 eingesetzt, daß der Kragen 42 des Schutzmantels 48 über die Bohrung hinausragt und so einen Anschlag bildet (siehe Fig. 8). Zum Auswechseln eines Düsenelementes 40 drückt man den Ring 45 zusammen (Pfeile Fig. 8). Dadurch wird der Ring 45 deformiert und übt auf das Düsenelement 40 eine Kraft aus, die groß genug ist, um ihn aus der Verankerung im Träger 41 herauszuziehen. Anschließend kann ein neues Düsenelement durch die Bohrung im Ring 45 hindurchgesteckt und in die entsprechende öffnung des Trägers 41 eingesetzt werden. Der Austausch kann ohne Anwendung von Werkzeugen von Hand vorgenommen werden.
- Der Durchmesser des elastischen Ringes 45 beträgt 5 bis 50 mm, vorzugsweise 10 bis 30 mm. Die Länge des Trägers 41 sowie die Packungsdichte der Düsenelemente 40 kann dem Bedarf angepaßt werden. Letztere ist nur durch die gegenseitige Berührung der Bauelemente begrenzt.
- Für die Höhe der elektrischen Aufladung der Tropfen gibt es ein Maximum, das dann erreicht wird, wenn die elektrische Feldstärke in der Umgebung der Strahlansätze einen Wert annimmt, bei dessen überschreitung eine KoronaEntladung einsetzt. Die Höhe der optimalen Betriebsspannung hängt von den Abmessungen der Apparatur ab. Sie muß deshalb experimentell ermittelt werden. Für ein einzelnes Düsenelement mit 100 µm Kapillarweite und weit entfernter Gegenelektrode (mindest 0,5 m) liegt die optimale Betriebsspannung bei ca. 10 kV. Die obere Grenze für die Betriebsspannung liegt bei ca. 50 kV.
- Ein großer Vorteil der beschriebenen Vorrichtung, verglichen mit bekannten Vorrichtungen zur Erzeugung elektrisch geladener Sprühnebel, liegt darin, daß in unmittelbarer Nähe der hochspannungsführenden Düseneinheit keine Gegenelektrode mit Erdpotential erforderlich ist. Dieser Umstand ermöglicht die Verwendung sehr langer Isolierstrecken zwischen den spannungsführenden Teilen der Anordnung. Betriebs'störungen durch feuchte Luft oder Verschmutzung der Isolatoren können damit weitgehend ausgeschlossen werden. Ferner ist von Bedeutung, daß nur sehr geringe Ströme fließen (Größenordnung pA), so daß die zur Spannungsversorgung verwendete Batterie eine lange Lebensdauer hat und der Hochspannungsgenerator einen hohen Innenwiderstand haben kann. Auf diese Weise wird eine Gefährdung von Personen durch Hochspannung vermieden.
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