EP1224980A1 - Method and apparatus for the generation of an aerosol - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Aerosols.The invention relates to a method and a device for producing an aerosol.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Aerosols zu schaffen, womit vorab erzeugte Flüssigkeits- und/oder lokker zusammenhängende Feststoffpartikel (Eingangspartikel) in deutlich kleinere Ausgangspartikel in Form eines Aerosols zerlegt werden können.The object of the invention is a method and an apparatus for generating to create an aerosol, with which previously generated liquid and / or locomotive contiguous solid particles (input particles) into significantly smaller output particles can be broken down in the form of an aerosol.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 7 gelöst.This object is achieved by a method according to claim 1 and Device according to claim 7 solved.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgezeigt.Advantageous developments of the invention are shown in the subclaims.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert, wobei
auf eine Zeichnung Bezug genommen ist, in der
Fig. 1 zeigt in einer schematischen Seiten- bzw. Schnittansicht zunächst einen inneren Konturverlauf eines Teils einer Düse 1, in der ein Gas in Strömungsrichtung (Pfeil 2) strömt. Die Düse 1 erweitert sich in Strömungsrichtung, d.h. ihr Querschnitt bzw. ihre innere Querschnittsfläche nimmt in Strömungsrichtung zu.Fig. 1 shows a schematic side or sectional view of an inner one Contour course of part of a nozzle 1 in which a gas flows in the direction of flow (arrow 2) flows. The nozzle 1 widens in the direction of flow, i.e. their cross section or their internal cross-sectional area increases in the direction of flow.
Entgegen der Strömungsrichtung befindet sich vor dem dargestellten Teil der (ebenen oder runden) Düse 1 ein sich verengender Teil und eine engste Stelle im Übergang zu dem dargestellten, sich erweiternden Teil. Beim Betrieb einer derartigen Düse, die auch als Laval-Düse bekannt ist, bildet sich ab einem bestimmten Druckverhältnis (Verhältnis des Drucks vor dem sich verengenden Teil zu dem Druck in der Umgebung hinter dem sich erweiternden Teil) eine Strömung mit Schallgeschwindigkeit im engsten Teil der Düse aus, während innerhalb des sich erweiternden Teils der Düse Überschallströmung herrscht. Das der Düse an ihrem sich verengenden Teil zugeführte Gas wird im vorliegenden Beispiel mit einem Ruhedruck von ca. 5 bar zugeführt, wobei das Gas bspw. aus einem Druckkessel entnommen oder durch einen Kompressor bereitgestellt wird. Die Temperatur des Druckgases vor der Einleitung in die Düse beträgt näherungsweise Raumtemperatur, d.h. ca. 20 bis 30°C.Contrary to the direction of flow, the (flat or round) nozzle 1 a narrowing part and a narrowest point in the transition to the expanding part shown. When operating such a nozzle, the also known as the Laval nozzle, forms from a certain pressure ratio (Ratio of the pressure in front of the narrowing part to the pressure in the environment behind the expanding part) a flow with the speed of sound in the narrowest part of the nozzle, while within the expanding part of the nozzle Supersonic flow prevails. That fed to the nozzle at its narrowing part In the present example, gas is supplied at a resting pressure of approx. 5 bar, the gas being taken, for example, from a pressure vessel or through a Compressor is provided. The temperature of the compressed gas before being introduced into the nozzle is approximately room temperature, i.e. approx. 20 to 30 ° C.
An einem geeigneten Punkt, insbesondere vor der engsten Stelle der Düse, ist eine Einrichtung zum Zuführen von Eingangspartikeln angeordnet, mit der die zu zerlegenden bzw. zu zerkleinernden Partikel zugeführt und in dem Gas suspendiert werden. Hierbei kann es sich bspw. um einen Pumpzerstäuber handeln, mit dem ein relativ grobes Tropfenspektrum in dem Gasstrom suspendiert wird. Alternativ oder zusätzlich ist auch eine Zuführung in das mit Überschallgeschwindigkeit strömende Gas möglich. Je nach Anwendungsbereich des zu erzeugenden Aerosols kann es sich bei den Eingangspartikeln um Flüssigkeitströpfchen handeln, bspw. Wasser mit oder ohne Wirkstoffzusatz, oder um ein Lösungsmittel wie etwa Alkohol. Alternativ kann vorgesehen sein, daß die Eingangspartikel aus Kraftstofftröpfchen bestehen, bspw. für eine Verbrennungskraftmaschine oder Feuerungsanlage. Schließlich kann es sich bei den Eingangspartikeln (auch zusätzlich zu Tröpfchen) um locker zusammenhängende, feste oder halbfeste Partikel handeln, die in (wesentlich) kleinere Partikel zu zerlegen sind.At a suitable point, especially in front of the narrowest part of the nozzle, is one Device for supplying input particles arranged with which to be disassembled or to be comminuted particles and suspended in the gas. This can be, for example, a pump atomizer with which a relative Coarse drop spectrum in the gas stream is suspended. Alternatively or additionally it is also possible to supply the gas flowing at supersonic speed. Depending on the area of application of the aerosol to be produced, it can be in the Act input particles as liquid droplets, for example water with or without Drug additive, or a solvent such as alcohol. Alternatively, it can be provided be that the input particles consist of fuel droplets, for example for a Internal combustion engine or firing system. After all, it can be the case with the Entrance particles (also in addition to droplets) around loosely connected, solid or semi-solid particles that break down into (substantially) smaller particles are.
Die Düse 1 ist in an sich bekannter Weise unter Berücksichtigung des Druckverhältnisses,
bei dem sie betrieben werden soll, so ausgelegt, daß sich im Verlauf ihres sich
erweiternden Teils ein Unterdruck gegenüber der Umgebung, d.h. gegenüber dem an
das Ende der Düse 1 anschließenden Raum einstellt ("nicht angepaßte Düse"), was zur
Folge hat, daß sich in der dargestellten Weise ein Verdichtungsstoß 3 innerhalb der
Düse 1 einstellt.The nozzle 1 is in a manner known per se, taking into account the pressure ratio,
at which it should be operated, designed so that in the course of their
expanding part a negative pressure in relation to the environment, i.e. compared to that
adjusts the end of the nozzle 1 adjoining space ("unmatched nozzle"), resulting in
The result is that a
Überraschenderweise ist erkannt worden, daß die von dem durch die Düse strömenden Gas getragenen Eingangspartikel beim Durchtritt durch den Verdichtungsstoß, der einen sehr großen Druckgradienten (Druckanstieg auf sehr engem Raum) beinhaltet, in ein Spektrum wesentlich kleinerer Partikel bzw. Tröpfchen zerlegt werden. Wenn bspw. der Kernbereich des Verdichtungsstoßes, d.h. der Bereich mit dem größten Druckgradienten, in Strömungsrichtung eine Dicke von etwa 40 bis 50 µm aufweist, ist eine resultierender mittlerer Tropfendurchmesser (logarithmische Normalverteilung) von zwischen 3 und 10 µm beobachtet worden, während die Eingangspartikel Tröpfchen mit einem wesentlich größeren Durchmesser sind, bspw. 50 µm.Surprisingly, it has been recognized that that of the flowing through the nozzle Gas-borne input particles as they pass through the compression stroke, the one contains very large pressure gradients (pressure increase in a very narrow space), in a spectrum of much smaller particles or droplets can be broken down. If e.g. the core area of the shock, i.e. the area with the largest Pressure gradient, has a thickness of about 40 to 50 μm in the direction of flow, is a resulting mean drop diameter (logarithmic normal distribution) of between 3 and 10 µm have been observed while the input particles Droplets with a much larger diameter are, for example 50 microns.
Bei einem Eingangsdruck von etwa 5 bar und einer Eingangstemperatur von etwa 300 K erreicht man in einer Laval-Düse mit einem engsten Querschnitt von ca. 0,03 cm2 bspw. einen Druck von etwa 2,5 bar und eine Temperatur von etwa 250 K an der engsten Stelle. Bei Querschnittserweiterung auf etwa 0,16 cm2 steigt die Strömungsgeschwindigkeit bis auf die 3,4-fache Schallgeschwindigkeit (Mach = 3,4), während der Druck auf ca. 0,1 bar und die Temperatur auf weniger als 100 K absinken. Ein Verdichtungsstoß bewirkt eine plötzliche Drucksteigerung näherungsweise auf Umgebungsdruck (1 bar), während die Temperatur näherungsweise ebenfalls auf Umgebungstemperatur ansteigt.With an inlet pressure of approximately 5 bar and an inlet temperature of approximately 300 K, a pressure of approximately 2.5 bar and a temperature of approximately 250 K are achieved in a Laval nozzle with a narrowest cross section of approximately 0.03 cm 2 at the narrowest point. When the cross-section is expanded to approximately 0.16 cm 2 , the flow rate increases to 3.4 times the speed of sound (Mach = 3.4), while the pressure drops to approximately 0.1 bar and the temperature to less than 100 K. A shock causes a sudden increase in pressure approximately to ambient pressure (1 bar), while the temperature also approximately increases to ambient temperature.
Es wird angenommen, daß der extrem große Druckgradient innerhalb des Verdichtungsstoßes zu einem Zerreißen der ankommenden Eingangspartikel führt, deren Abmessung in der Größenordnung der Dicke des Verdichtungsstoßes liegt.It is believed that the extremely large pressure gradient within the surge leads to tearing of the incoming input particles, their dimensions is of the order of magnitude of the thickness of the compression joint.
Während in Fig. 1 eine Situation dargestellt ist, in der sich der Verdichtungsstoß vor dem in Strömungsrichtung liegenden Ende der Düse befindet, d.h. innerhalb der Düse, sind auch Situationen möglich, in denen ein oder mehrere Verdichtungsstöße außerhalb der Düse liegen.While a situation is shown in FIG. 1 in which the compression shock occurs the flow end of the nozzle, i.e. inside the nozzle, situations are also possible in which one or more impacts outside the nozzle.
Die Wandreibung des Gases im Bereich der inneren Wandoberfläche der Düse führt zum Auftreten von schiefen bzw. angewinkelten Verdichtungsstößen, was aufgrund der erhöhten Verweildauer der Eingangspartikel in den Verdichtungsstößen die gewünschte Zerkleinerungswirkung begünstigt.The wall friction of the gas leads in the area of the inner wall surface of the nozzle to the occurrence of oblique or angled compression impacts, which is due to the increased residence time of the input particles in the compression peaks the desired Shredding effect favors.
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