EP1996339A1 - Verfahren und vorrichtung zur zerstäubung einer flüssigkeit - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur zerstäubung einer flüssigkeit

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EP1996339A1
EP1996339A1 EP07723261A EP07723261A EP1996339A1 EP 1996339 A1 EP1996339 A1 EP 1996339A1 EP 07723261 A EP07723261 A EP 07723261A EP 07723261 A EP07723261 A EP 07723261A EP 1996339 A1 EP1996339 A1 EP 1996339A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
annular gap
liquid
gap
atomizing device
annular
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07723261A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stephan Herminghaus
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Original Assignee
Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV filed Critical Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Publication of EP1996339A1 publication Critical patent/EP1996339A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B17/00—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups
    • B05B17/04—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods
    • B05B17/06—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods using ultrasonic or other kinds of vibrations
    • B05B17/0607—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods using ultrasonic or other kinds of vibrations generated by electrical means, e.g. piezoelectric transducers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
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    • B05B17/06—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods using ultrasonic or other kinds of vibrations
    • B05B17/0607—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods using ultrasonic or other kinds of vibrations generated by electrical means, e.g. piezoelectric transducers
    • B05B17/0653—Details
    • B05B17/0669—Excitation frequencies
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M69/00—Low-pressure fuel-injection apparatus ; Apparatus with both continuous and intermittent injection; Apparatus injecting different types of fuel
    • F02M69/04—Injectors peculiar thereto
    • F02M69/041—Injectors peculiar thereto having vibrating means for atomizing the fuel, e.g. with sonic or ultrasonic vibrations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B3/00—Spraying or sprinkling apparatus with moving outlet elements or moving deflecting elements
    • B05B3/02—Spraying or sprinkling apparatus with moving outlet elements or moving deflecting elements with rotating elements

Definitions

  • the invention relates to a method for atomizing a liquid, in which a liquid flow in a Zerstäuberraum decomposes into liquid droplets, and an atomizing device for liquids for performing the method.
  • the atomization of liquids is in many technical processes, eg. B. in chemical engineering, in medical technology, in coating technology and in the operation of internal combustion engines or snow cannons of interest.
  • various types of atomizing devices are known, which differ in terms of the way in which the liquid jet is formed upon exiting the atomizer, the homogeneity and the speed of atomization. It can for example be a single jet nozzle, as in a medical or cosmetic
  • Spray dispenser a nozzle array, as in an ink jet printer or a nebulizer according to US 5,248,087, or an annular gap, as provided in a micro-valve according to EP 778 924.
  • the object of the invention is to provide improved methods and apparatus which overcomes the disadvantages of the conventional techniques and in particular makes it possible to produce liquid droplets with an increased sputtering rate while at the same time improving the homogeneity of the droplet size.
  • the invention is based on the general technical teaching of pressing at least one liquid through at least one annular gap, on which at least one derholt circulating constriction is generated.
  • the liquid emerging from the annular gap into a free atomizing space forms a tubular liquid layer (lamella) which breaks down into liquid droplets in the atomizer space with a distance from the annular gap.
  • the decomposition occurs without the liquid touching a solid surface in the atomizer chamber.
  • the decay into liquid droplets is formed by an annular gap through the circumferential narrowing at the annular gap with a predetermined pattern.
  • a spiral (helical) instability region is impressed on the liquid layer, at which a constriction of the liquid layer takes place in the atomizer chamber, so that a spiral-shaped liquid jet (liquid strand) is formed.
  • the spiral liquid jet then breaks down into individual drops of liquid based on the so-called Rayleigh instability.
  • a nebulizer for atomizing a liquid having at least one annular gap and a drive means for generating the at least one, circulating at the annular gap constriction.
  • a significant advantage of the invention consists in the combination of the liquid outlet from the annular gap with the destabilization of the exiting liquid layer by the circumferential narrowing of the annular gap.
  • the use of the annular gap allows for increased liquid throughput, unlike the conventional nozzle array, and therefore an increased sputtering rate.
  • the destabilization of the liquid layer by the circumferential constriction results in the Rayleigh decay of the spiral liquid jet in droplets. fen of the same size, which was achieved before the invention only with straight, linear liquid jets.
  • the generation of a circumferential constriction at the annular gap means that the radial width of the annular gap is locally subjected to a repeated, preferably periodic variation, which is described as a vibration with a predetermined amplitude and a phase that circulates continuously in the gap.
  • the constriction does not occur simultaneously in all spatial directions, but with the phase shift in successive different radial directions.
  • the narrowing of the annular gap forms an azimuthal rotating shaft.
  • the at least one annular gap has an axial reference direction which coincides with the flow direction of the liquid, a radial reference direction which is perpendicular in the axial reference direction, and an azimuthal reference direction which describes the curved course of the annular gap.
  • a plurality of (at least two) circumferential constrictions with the same or relatively different rotational speeds can be generated.
  • a plurality of relatively offset, helical instability regions are generated.
  • Two circumferential constrictions can be advantageous by the excitation of natural oscillations z.
  • the annular gap limiting part such as a cylindrical pin can be generated.
  • a plurality of revolving constrictions can be generated by an adapted excitation of the parts delimiting the annular gap with at least one oscillation source.
  • there are various ways to produce the circumferential constriction such. B. with a circumferential projection which is provided on one of the annular gap limiting parts.
  • the circumferential constriction is formed by a gap oscillation which is generated on at least one of the components which delimit the at least one annular gap.
  • at least two mutually concentric annular gap parts are provided, wherein an annular gap is bounded in each case by two annular gap parts.
  • the split vibration is excited at at least one of the annular gap portions adjacent in the concentric array to create the at least one circumferential throat.
  • the concentric arrangement of the annular gap parts means that the respective annular gap forming, inner and outer surfaces of the adjacent annular gap parts in the idle state, ie without excitation of the gap vibration have a common point of symmetry.
  • a coaxial alignment with respect to the direction of the liquid flow when exiting from the annular gap is provided.
  • the use of several, concentrically arranged annular gaps advantageously allows an increased liquid flow rate and thus an increased atomizer rate.
  • a single annular gap is provided and the circumferential constriction is generated by a gap vibration of at least one of the adjacent annular gap parts, there are advantages for a compact construction of the atomizer.
  • the atomizer device in this case has two annular gap parts.
  • the outer diameter of the first (inner) annular gap part is smaller than the inner diameter of the second (outer) annular gap part, so that the annular gap is formed between the two annular gap parts.
  • At least one of the annular gap parts can with a mechanical vibration are applied so that the desired constriction rotates.
  • the drive device of the atomizing device preferably comprises a vibration source, with which the gap oscillation of the inner and / or outer annular gap part can be excited.
  • the vibration of the outer annular gap part may be provided in relation to an inner annular gap part in the fixed state or a vibration of both parts.
  • the outer annular gap part is formed stationary in the atomizer with a channel in which the inner annular gap part is arranged.
  • the channel and the inner annular gap part preferably have the shape of straight circular cylinders.
  • the inner annular gap part is arranged concentrically in the channel.
  • the inner annular gap part is preferably an elongated cylindrical member having a free end which forms the annular gap with the outer annular gap part, and a fixed end fixedly connected to the atomization device.
  • the inner annular gap part is preferably a one-sided fi- xierter, cylindrical pin, which is compact or hollow.
  • the natural vibration of the pin has two maxima per revolution, so that two circumferential constrictions can be generated particularly easily.
  • two annular gaps are provided which are delimited on the one hand by the first and second annular gap parts and on the other hand by the second annular gap part and a third annular gap part which surrounds the second annular gap part, can advantageously by
  • the vibration source of the atomizer preferably comprises an electromagnetic drive, such. B. an electromagnetic device which is based on a magnetic material in the respective driven annular gap part, for. B. acts in the first annular gap part. If two partial oscillations are generated with the electromagnet device which are perpendicular relative to one another and perpendicular to the axial direction of the annular gap and have a slight phase difference, preferably a phase difference of one-quarter oscillation, their superimposition produces a magnetic drive force with azimuthally circumferential direction. According to the current orientation of the driving force of the annular gap is narrowed.
  • At least one parameter of the gap oscillation in particular the rotational frequency and / or the amplitude of the gap oscillation, is set in a targeted manner, so that the liquid droplets are formed with a predetermined size.
  • the vibration source of the atomizer preferably set up for a variable adjustment of the frequencies and mutual phase shift of the partial oscillations.
  • the setting of at least one parameter of the gap oscillation has the particular advantage that, in addition to the flow rate of the liquid, a further degree of freedom is provided for setting the droplet size.
  • the generation of the circumferential narrowing of the annular gap with at least one gap vibration thus allows large quantities of at least one liquid, for.
  • the liquid (s) to be distributed is / are pressed through the annular gap, of which one edge is fixed and the other boundary of which is a component moving at a high frequency in the ultrasonic range, eg. B. the inner annular gap part is formed.
  • the mechanical vibration of the inner annular gap part is in the
  • the frequency of circulation of the constriction, d. H. the rotational frequency of the gap oscillation is preferably above 10 kHz, z. B. in the range of 10 kHz to 400 kHz, more preferably selected in the range of 20 kHz to 200 kHz.
  • droplets can be formed from liquids with typical inflow velocities, as required, for example, in internal combustion engines.
  • the Rayleigh decay of the spiral liquid jet be promoted if an azimuthal structure is impressed on at least one liquid surface of the liquid layer emerging through the annular gap.
  • the spatial frequency of the azimuthal structure is chosen according to the size of the individual drops formed by the Rayleigh decay.
  • the atomizing device according to the invention has for impressing the azimuthal structure on at least one of the annular gap parts corresponding to an outer or inner surface structure. With the surface structure of the at least one annular gap part, in addition to the helical instability, an instability is created with which the disintegration of the spiral-shaped liquid jet into individual drops is promoted.
  • the liquid emerging through the annular gap can generally be atomized into an environment of another fluid, in particular of a gas or of another liquid or into an environment of reduced pressure, in particular into a vacuum space.
  • a gaseous environment In the directly adjacent to the annular gap Zerstäuberraum a gaseous environment, a liquid environment or a vacuum is formed.
  • the liquid emerging from the annular gap in the atomizer chamber is preferably subjected to a predetermined working pressure.
  • the working pressure advantageously, the speed of the liquid and thereby the droplet size can be adjusted after the atomization.
  • the amplitude of the annular gap narrowing there are no limitations with respect to the amplitude of the annular gap narrowing.
  • Another advantage of the invention is the broad scope of the atomizer, z.
  • fuel or Reaktandenzuschreib in a reaction chamber, in particular combustion chamber for the formation of active ingredient aerosols, or for the production of artificial snow crystals.
  • Figure 1 is a schematic view of an atomizing device according to the invention
  • FIG. 2 shows a sectional view of the annular gap used according to the invention in accordance with a first embodiment of the invention
  • FIG. 3 shows a plan view of the annular gap according to FIG. 2;
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of the droplet formation according to the invention
  • Figure 5 is a sectional view of the annular gap used in the invention according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 6 shows a plan view of the annular gap according to FIG. 5;
  • FIG. 7 shows a sectional view of annular gaps used according to the invention in accordance with a third embodiment of the invention,
  • FIG. 8 shows a plan view of the annular gaps according to FIG. 7, and FIG
  • FIG. 9 shows a plan view of a multiplicity of annular gaps used according to the invention, according to a further embodiment of the invention.
  • annular gap an annular gap with a different curved shape, for. B. an ellipse shape, or be provided with a polygonal shape.
  • annular gap with a polygonal shape of straight gap sections preferably a regular polygon with z. B. 4 or more corners formed.
  • It can also be provided a more complex gap shape in which an inner edge z. B. forms a circle or an ellipse and the outer edge forms a polygon.
  • the liquid 1 is pressed through an annular gap 11 with an atomizing device 10 according to FIG.
  • the annular gap 11 is formed between the first, inner annular gap part 13 and the second, outer annular gap part 14.
  • the outer annular gap part 14 a channel 14.1 with z. B. circular cross-section, in which the inner annular gap member 13 is arranged concentrically and with its free, pointing to the annular gap 11 vibrating end.
  • the opposite end of the inner annular gap part 13 is fixed in the channel 14.1 in a suitable manner, for example with webs on the outer annular gap part 14, so that the liquid 1 can enter into the annular gap 11.
  • the inner annular gap part 13 may have the shape of a solid pin (see FIGS. 2, 3, 9) or the shape of a hollow cylinder (FIGS. 5, 6, 7, 8).
  • the atomizing device 10 has a feed side 16, at which the liquid 1 flows into the channel 14.1.
  • the opposite side to the feed side 16, at which the liquid exits from the annular gap 11 and decomposes into the liquid droplets 2, is referred to as the outlet side 17.
  • the outer annular gap part 14 contains the drive device, the z. B. comprises a vibration source 30 for the electromagnetic drive of the inner annular gap part 13.
  • the annular gap part at which the gap oscillation is to be excited, z. B. wholly or partially made of a magnetic material on which with the vibration source 30, a magnetic force can be exerted.
  • the annular gap part, which should remain stationary, is generally made of a non-magnetic material, eg. As aluminum or plastic, so that with the vibration source 30 no magnetic force can be exercised.
  • the outlet end of the annular gap 11 opens directly into the atomizer chamber 20.
  • the flow path of the liquid 1 from the annular gap 11 into the atomizer chamber 20 is free of mechanical components.
  • the atomizer room 20 is formed depending on the specific task of the atomizer 10, it includes z.
  • a reactor for chemical reactions or a free atmospheric environment As a combustion chamber of an internal combustion engine, a reactor for chemical reactions or a free atmospheric environment.
  • a liquid reservoir 40 is connected to the feed side 16 of the atomizer device 10 via a feed line 41 and a pump device 42. With the pump device 42, the liquid 1 is pressed into the annular gap 11.
  • the pressure in the channel 14.1 is z. B. 20 to 30 bar.
  • FIGS. 2 and 3 Further details of the atomizing device 10 with an inner annular gap part in the form of a compact cylindrical pin 13 are illustrated in FIGS. 2 and 3.
  • the liquid 1 to be dispersed is pressed in FIG. 2 from the left under pressure at a speed u through the annular gap 11.
  • the annular gap 11 has a gap width d, which is typically less than 1 mm, z. B. is 100 microns and is essential for the size of the liquid droplet 2 formed according to the invention.
  • the liquid emerging at the annular gap 11 into the free atomizing space 20 forms a tubular liquid layer 3.
  • the annular gap 11 is periodically narrowed and thus the velocity at the gap exit into the atomization space 20 is periodically modulated.
  • the circular oscillation forms a radial constriction 12 (see FIG. 3) of the annular gap 11, which rotates azimuthally along the annular gap 11.
  • the circular oscillation is generated, for example, with the oscillation source 30 (see FIG. 1), in which two are in the x and y directions mutually perpendicular magnetic field components are generated with a slight phase adjustment, so that the resulting magnetic field component rotates in the xy plane and, accordingly, the circumferential constriction 12 is formed.
  • the frequency of circulation of the constriction 12 is z. B. 30 kHz. If a plurality of contra-rotating constrictions are generated in the annular gaps, advantageously the circulation frequency can be increased by a factor of two.
  • the initially tubular liquid layer 3 is decomposed into individual drops 2 on the basis of the following estimation.
  • the movement of the center of the inner annular gap part 13 can be described by:
  • the constriction 12 of the annular gap 11 occurs everywhere with the same period, but with shifted phase.
  • the liquid velocity u is time-modulated according to equation (2):
  • the thickness h of the liquid layer 3 emerging from the annular gap 11 is varied in space and time, as is illustrated schematically in FIG.
  • the waves- length ⁇ of this variation is given directly by the average exit velocity Uo and the frequency v of the tang vibration:
  • ⁇ is the surface tension (or, in the case of emulsification, the interfacial tension) and p is the density of the liquid 1.
  • the liquid layer 3 constricts after a characteristic path length ⁇ o
  • the path length ⁇ o can be nourished according to equation (5) with:
  • the cylindrical bead then breaks down into individual drops 2 by the Rayleigh plateau instability.
  • the distance between the drops is given by equation (6)
  • the liquid drops 2 and a volume of approximately
  • the decay of the spiral-shaped liquid jet can be promoted by an azimuthal surface structure in the annular gap 11.
  • the azimuthal surface structure includes a ripple having exactly the period of the Rayleigh plateau instability according to equation (6). Due to the surface structure in the annular gap 11, a deformation field is formed on the cylinder bead formed by the first constriction, which corresponds to the maximum instable wave number and thus leads to constriction within a few microseconds.
  • the oscillation amplitude a according to equation (1) is selected on the basis of the following considerations.
  • the first constriction for forming the spiral liquid jet is at a distance from the end of the annular gap 11 which is less than a wavelength ⁇ (z 0 ⁇ ).
  • the relationship according to Equation (9) applies because of the mass conservation assuming a low compressibility.
  • D is the axial length of the annular gap 11 (see FIG. 2).
  • Equation (10) When D> ⁇ is satisfied, the condition of Equation (10) can always easily be satisfied.
  • the amplitude a according to equation (11) is preferably selected as follows.
  • 180 ml of liquid can be atomized at an exit velocity of 60 m / s and a gap width d of 100 ⁇ m per second.
  • an energy of only a few watts (typically less than 1 W) is advantageously required, wherein the damping of the vibration of the inner annular gap part 13 by the liquid present in the annular gap 11 is negligible negligible.
  • the inner annular gap part 13 comprises a hollow cylinder with an inner cavity 13.1.
  • the annular gap 11 is formed between the inner annular gap part 13 and the outer annular gap part 14.
  • a plurality of concentric annular gap parts 13, 14 and 15 are provided which form two annular gaps 11, 11.1 with two constrictions 12, 12.1.
  • the annular gaps 11, 11.1 can be connected to a common channel 14.1 (see FIG. 1) or to separate channels for the supply of various fluids.
  • annular gap parts 13 to 18 are provided, between each of which an annular gap is formed. Every second annular gap part is subjected to the gap oscillation (see symbol *), so that the circulating constrictions can be generated in the adjacent annular gaps.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Zerstäubung mindestens einer Flüssigkeit (1) mit einer Zerstäubereinrichtung (10), die mindestens einen Ringspalt (11) aufweist, beschrieben, mit den Schritten Austritt der Flüssigkeit (1) durch den mindestens einen Ringspalt (11) in einen Zerstäuberraum (20), wobei mindestens eine Verengung des Ringspalts (11) erzeugt wird, die am mindestens einen Ringspalt (11) umläuft, und Zerfall der Flüssigkeit (1) im Zerstäuberraum (20) mit einem Abstand vom mindestens einen Ringspalt (11) in Flüssigkeitstropfen (2) . Es wird auch eine Zerstäubereinrichtung (10) zur Durchführung des Verfahrens beschrieben.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zerstäubung einer Flüssigkeit, bei dem ein Flüssigkeitsstrom in einem Zerstäuberraum in Flüssigkeitstropfen zerfällt, und eine Zerstäubereinrichtung für Flüssigkeiten zur Durchführung des Verfahrens .
Die Zerstäubung von Flüssigkeiten ist bei vielen technischen Prozessen, z. B. in der chemischen Verfahrenstechnik, in der Medizintechnik, in der Beschichtungstechnik und beim Betrieb von Brennkraftmaschinen oder auch von Schneekanonen von Inte- resse. In der Praxis sind verschiedene Typen von Zerstäubereinrichtungen bekannt, die sich in Bezug auf die Art der Formung des Flüssigkeitsstrahls beim Austritt aus der Zerstäubereinrichtung, die Homogenität und die Geschwindigkeit der Zerstäubung unterscheiden. Es kann zum Beispiel eine einzelne Strahldüse, wie bei einem medizinischen oder kosmetischen
Spray-Dispenser, ein Düsenarray, wie bei einem Tintenstrahldrucker oder einem Zerstäuber gemäß US 5 248 087, oder ein Ringspalt, wie in einem Mikroventil gemäß EP 778 924 vorgesehen sein.
Die herkömmlichen Zerstäubungstechniken haben den allgemeinen Nachteil, dass sie entweder für eine homogene, enge Größenverteilung der Flüssigkeitstropfen oder für einen hohen Flüssigkeitsdurchsatz ausgelegt sind. Beispielsweise bestehen bei einem herkömmlichen Tintenstrahldrucker hohe Anforderungen in Bezug auf die Homogenität der Tropfengröße, wobei jedoch die pro Zeiteinheit erzeugte Tropfenmenge begrenzt ist. Andererseits können mit einem Farbspray einer Lackieranlage große Flüssigkeitsmengen zerstäubt werden, bei denen geringere Anforderungen an die Homogenität der Tropfengröße bestehen.
Es sind jedoch keine Zerstäubungseinrichtungen bekannt, mit denen die Anforderungen an die Zerstäubungsgeschwindigkeit und die Homogenität der Tropfen in gleicher Weise erfüllbar sind. So müssen bei Brennkraftmaschinen große Flüssigkeitsmengen zerstäubt werden. Zum Beispiel in der Gasturbine eines Flugzeugs muss der Treibstoff mit einer Zerstäubungsrate von z. B. 100 ml/s als feiner Nebel in die Brennkammer der Gasturbine eingebracht werden. Andererseits ist es für einen hohen Wirkungsgrad im Verbrennungsprozess und einen möglichst geringen Schadstoffausstoß wichtig, dass die Flüssigkeitstropfen eine möglichst gleichmäßige Größe aufweisen. Ähnliche Probleme gibt es beim Betrieb von Hochleistungs-Tintenstrahldruckern oder bei der Verwendung von Tropfenemulsionen in der chemischen Verfahrenstechnik, z. B. für die Synthese von Na- nopartikeln.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, verbesserte Verfahren und Vorrichtungen bereitzustellen, mit denen die Nachteile der herkömmlichen Techniken überwunden werden und die insbesondere ermöglichen, Flüssigkeitstropfen mit einer erhöhten Zerstäubungsrate bei gleichzeitig verbesserter Homogenität der Tropfengröße zu erzeugen.
Diese Aufgabe wird durch ein Zerstäubungsverfahren oder eine Zerstäubungseinrichtung mit den Merkmalen der Ansprüche 1 oder 12 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendun- gen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Verfahrensbezogen beruht die Erfindung auf der allgemeinen technischen Lehre, mindestens eine Flüssigkeit durch mindestens einen Ringspalt zu pressen, an dem mindestens eine wie- derholt umlaufende Verengung erzeugt wird. Die am Ringspalt in einen freien Zerstäuberraum austretende Flüssigkeit bildet eine schlauchförmige Flüssigkeitsschicht (Lamelle) , die im Zerstäuberraum mit einem Abstand vom Ringspalt in Flüssig- keitstropfen zerfällt. Der Zerfall erfolgt, ohne dass die Flüssigkeit eine feste Oberfläche im Zerstäuberraum berührt. Der Zerfall in Flüssigkeitstropfen wird im Unterschied zu herkömmlichen Zerstäubern mit einem Ringspalt durch die umlaufende Verengung am Ringspalt mit einem vorbestimmten Mus- ter gebildet. Mit der umlaufenden Verengung wird der Flüssigkeitsschicht ein spiralförmiger (helixförmiger) Instabilitätsbereich aufgeprägt, an dem im Zerstäuberraum eine Abschnürung der Flüssigkeitsschicht erfolgt, so dass ein spiralförmiger Flüssigkeitsstrahl (Flüssigkeitsstrang) gebildet wird. Der spiralförmige Flüssigkeitsstrahl zerfällt dann auf der Grundlage der sogenannten Rayleigh-Instabilität in einzelne Flüssigkeitstropfen.
Vorrichtungsbezogen wird die o. g. Aufgabe entsprechend durch eine Zerstäubereinrichtung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit gelöst, die mindestens einen Ringspalt und eine Antriebseinrichtung zur Erzeugung der mindestens einen, am Ringspalt umlaufenden Verengung aufweist.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht in der Kombination des Flüssigkeitsaustritts aus dem Ringspalt mit der Destabilisierung der austretenden Flüssigkeitsschicht durch die umlaufende Verengung des Ringspalts. Die Verwendung des Ringspalts ermöglicht einen im Unterschied zum herkömmlichen Düsenarray erhöhten Flüssigkeitsdurchsatz und daher eine erhöhte Zerstäubungsrate. Die Destabilisierung der Flüssigkeitsschicht durch die umlaufende Verengung ergibt den Ray- leigh-Zerfall des spiralförmigen Flüssigkeitsstrahls in Trop- fen gleicher Größe, was vor der Erfindung nur mit geraden, linienhaften Flüssigkeitsstrahlen erzielt wurde.
Die Erzeugung einer umlaufenden Verengung am Ringspalt bedeu- tet, dass die radiale Breite des Ringspalts lokal begrenzt einer wiederholten, vorzugsweise periodischen Variation unterzogen wird, die als eine Schwingung mit einer vorbestimmten Amplitude und einer stetig im Spalt umlaufenden Phase beschrieben wird. Die Verengung tritt nicht in allen Raumrich- tungen gleichzeitig, sondern mit der Phasenverschiebung in aufeinanderfolgend verschiedenen radialen Richtungen auf. Die Verengung des Ringspalts bildet eine azimutal umlaufende Welle.
Der mindestens eine Ringspalt hat eine axiale Bezugsrichtung, die mit der Strömungsrichtung der Flüssigkeit zusammenfällt, eine radiale Bezugsrichtung, die auf der axialen Bezugsrichtung senkrecht steht, und eine azimutale Bezugsrichtung, die den gekrümmten Verlauf des Ringspalts beschreibt.
Erfindungsgemäß können in einem oder mehreren Ringspalten mehrere (mindestens zwei) umlaufende Verengungen mit gleichen oder relativ zueinander verschiedenen Umlaufgeschwindigkeiten erzeugt werden. Bei gleichen Umlaufgeschwindigkeiten werden mehrere, relativ zueinander versetzte, spiralförmige Instabilitätsbereiche erzeugt. Zwei umlaufende Verengungen können mit Vorteil durch die Anregung von Eigenschwingungen z. B. eines innere, den Ringspalt begrenzenden Teil, wie eines zylinderförmiger Zapfen erzeugt werden. Mehrere umlaufende Ver- engungen können des Weiteren durch eine angepasste Anregung der den Ringspalt begrenzenden Teile mit mindestens einer Schwingungsquelle erzeugt werden. Vorteilhafterweise bestehen verschiedene Möglichkeiten, die umlaufende Verengung zu erzeugen, so z. B. mit einem umlaufenden Vorsprung, der an einem der den Ringspalt begrenzenden Teile vorgesehen ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die umlaufende Verengung jedoch durch eine Spaltschwingung gebildet, die an mindestens einem der Bauteile erzeugt wird, die den mindestens einen Ringspalt begrenzen. Hierzu sind mindestens zwei zueinander konzentrisch angeordnete Ringspaltteile vorgesehen, wobei ein Ringspalt je- weils von zwei Ringspaltteilen begrenzt wird. Die Spaltschwingung wird an mindestens einem der Ringspaltteile angeregt, die in der konzentrischen Anordnung benachbart sind, um die mindestens eine umlaufende Verengung zu erzeugen. Die konzentrische Anordnung der Ringspaltteile bedeutet, dass die jeweils einen Ringspalt bildenden, inneren und äußeren Oberflächen der angrenzenden Ringspaltteile im Ruhezustand, d.h. ohne Anregung der Spaltschwingung einen gemeinsamen Symmetriepunkt haben. Es ist insbesondere eine koaxiale Ausrichtung in Bezug auf die Richtung der Flüssigkeitsströmung beim Aus- tritt aus dem Ringspalt vorgesehen. Die Verwendung von mehreren, konzentrisch angeordneten Ringspalten ermöglicht vorteilhafterweise einen erhöhten Flüssigkeitsdurchsatz und damit eine erhöhte Zerstäuberrate.
Wenn gemäß einer ersten Variante ein einziger Ringspalt vorgesehen ist und die umlaufende Verengung durch eine Spaltschwingung von mindestens einem der angrenzenden Ringspaltteile erzeugt wird, ergeben sich Vorteile für einen kompakten Aufbau der Zerstäubereinrichtung. Die Zerstäubereinrichtung weist in diesem Fall zwei Ringspaltteile auf. Der Außendurchmesser des ersten (inneren) Ringspaltteiles ist kleiner als der Innendurchmesser des zweiten (äußeren) Ringspaltteiles, so dass zwischen beiden Ringspaltteilen der Ringspalt gebildet wird. Mindestens eines der Ringspaltteile kann mit einer mechanischen Schwingung derart beaufschlagt werden, dass die gewünschte Verengung umläuft. Hierzu umfasst die Antriebseinrichtung der Zerstäubereinrichtung vorzugsweise eine Schwingungsquelle, mit der die Spaltschwingung des inneren und/oder äußeren Ringspaltteils anregbar ist.
Wenn die Spaltschwingung gemäß einer bevorzugten Gestaltung mit dem inneren Ringspaltteil erzeugt wird, während das äußere Ringspaltteil ortsfest fixiert ist, ergeben sich Vorteile durch einen vereinfachten Aufbau der Zerstäubereinrichtung und die relativ geringe Masse des bewegten inneren Ringspaltteils. Gemäß einer alternativen Gestaltung kann die Schwingung des äußeren Ringspaltteils gegenüber einem im fixierten Zustand befindlichen inneren Ringspaltteil oder eine Schwin- gung von beiden Teilen vorgesehen sein.
Vorteile für eine kompakte Bauform der Zerstäubereinrichtung und eine gleichmäßige Zufuhr der Flüssigkeit zum Ringspalt ergeben sich insbesondere, wenn das äußere Ringspaltteil ortsfest in der Zerstäubereinrichtung mit einem Kanal gebildet ist, in dem das innere Ringspaltteil angeordnet ist. Der Kanal und das innere Ringspaltteil weisen vorzugsweise die Form von geraden Kreiszylindern auf. Das innere Ringspaltteil ist konzentrisch im Kanal angeordnet. In diesem Fall ist das innere Ringspaltteil vorzugsweise ein langgestrecktes, zylinderförmiges Bauteil mit einem freien Ende, das mit dem äußeren Ringspaltteil den Ringspalt bildet, und einem fixierten Ende, das mit der Zerstäubereinrichtung fest verbunden ist. Das innere Ringspaltteil ist vorzugsweise ein einseitig fi- xierter, zylinderförmiger Zapfen, der kompakt oder hohl gebildet ist. Vorteilhafterweise hat die Eigenschwingung des Zapfens zwei Maxima pro Umlauf, so dass besonders einfach zwei umlaufende Verengungen erzeugt werden können. Wenn gemäß einer zweiten Variante zwei Ringspalte vorgesehen sind, die einerseits durch die ersten und zweiten Ringspaltteile und andererseits durch das zweite Ringspaltteil und ein drittes Ringspaltteil begrenzt werden, welches das zweite Ringspaltteil umgibt, können vorteilhafterweise durch die
Spaltschwingung ausschließlich des zweiten Ringspaltteils im ersten und im zweiten Ringspalt umlaufende Verengungen erzeugt werden.
Mit mehreren Ringspalten können vorteilhafterweise verschiedene Flüssigkeiten gleichzeitig zerstäubt werden. In diesem Fall ergeben sich insbesondere Vorteile bei der Anwendung in der chemischen Verfahrenstechnik.
Die Schwingungsquelle der Zerstäubereinrichtung umfasst vorzugsweise einen elektromagnetischen Antrieb, wie z. B. eine Elektromagneteinrichtung, die auf ein magnetisches Material in dem jeweils angetriebenen Ringspaltteil, z. B. in dem ersten Ringspaltteil einwirkt. Werden mit der Elektromagnetein- richtung zwei Teilschwingungen erzeugt, die relativ zueinander und relativ zur axialen Richtung des Ringspaltes senkrecht stehen und einen geringfügigen Phasenunterschied, vorzugsweise einen Phasenunterschied von einer viertel Schwingung aufweisen, so ergibt deren Überlagerung eine magnetische Antriebskraft mit azimutal umlaufender Richtung. Entsprechend der aktuellen Ausrichtung der Antriebskraft wird der Ringspalt verengt.
Gemäß der Erfindung kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass mindestens ein Parameter der Spaltschwingung, insbesondere die Umlauffrequenz und/oder die Amplitude der Spaltschwingung, gezielt eingestellt wird, so dass die Flüssigkeitstropfen mit einer vorbestimmten Größe gebildet werden. Hierzu ist die Schwingungsquelle der Zerstäubereinrichtung vorzugsweise für eine veränderliche Einstellung der Frequenzen und gegenseitigen Phasenverschiebung der Teilschwingungen eingerichtet. Die Einstellung von mindestens einem Parameter der Spaltschwingung hat den besonderen Vorteil, dass zusätz- lieh zur Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit ein weiterer Freiheitsgrad für die Einstellung der Tropfengröße geschaffen wird. Damit können der Anwendungsbereich der Zerstäubereinrichtung erweitert und die Abhängigkeit von Viskositätseigenschaften der Flüssigkeit vermindert werden.
Die Erzeugung der umlaufenden Verengung des Ringspalts mit mindestens einer Spaltschwingung erlaubt es somit, große Mengen mindestens einer Flüssigkeit, z. B. eines Brennstoffs oder eines Wirkstoffs in kleine Tropfen gleichförmiger Größe zu zerstäuben. Die zu verteilende (n) Flüssigkeit (en) wird/werden durch den Ringspalt gepresst, dessen eine Beran- dung feststeht und dessen andere Berandung von einem sich mit einer hohen Frequenz im Ultraschallbereich bewegenden Bauteil, z. B. dem inneren Ringspaltteil gebildet wird. Die me- chanische Schwingung des inneren Ringspaltteils wird in die
Flüssigkeit im Ringspalt eingekoppelt, so dass die spiralförmige, dynamische Instabilität der Flüssigkeitsschicht gebildet wird, die aus dem Ringspalt austritt.
Die Umlauffrequenz der Verengung, d. h. die Umlauffrequenz der Spaltschwingung wird vorzugsweise oberhalb von 10 kHz, z. B. im Bereich von 10 kHz bis 400 kHz, besonders bevorzugt im Bereich von 20 kHz bis 200 kHz gewählt. Vorteilhafterweise können in diesem Frequenzbereich Tropfen aus Flüssigkeiten mit typischen Einströmgeschwindigkeiten gebildet werden, wie sie bspw. bei Brennkraftmaschinen erforderlich sind.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung kann der Rayleigh-Zerfall des spiralförmigen Flüssigkeitsstrahls gefördert werden, wenn auf mindestens eine Flüssigkeitsoberfläche der durch den Ringspalt austretenden Flüssigkeitsschicht eine azimutale Struktur aufgeprägt wird. Die Ortsfrequenz der azimutalen Struktur wird entsprechend der Größe der durch den Rayleigh-Zerfall gebildeten Einzeltropfen gewählt. Die erfindungsgemäße Zerstäubereinrichtung weist zur Aufprägung der azimutalen Struktur an mindestens einem der Ringspaltteile entsprechend eine äußere oder innere Oberflächenstruktur auf. Mit der Oberflächenstruktur des mindestens ei- nen Ringspaltteils wird zusätzlich zu der spiralförmigen Instabilität eine Instabilität erzeugt, mit der der Zerfall des spiralförmigen Flüssigkeitsstrahls in Einzeltropfen gefördert wird.
Ein weiterer wichtiger Vorteil der Erfindung besteht in der erweiterten Anwendbarkeit mit verschiedenen StoffSystemen . Die durch den Ringspalt austretende Flüssigkeit kann allgemein in eine Umgebung eines anderen Fluids, insbesondere eines Gases oder einer weiteren Flüssigkeit oder in eine Umge- bung reduzierten Druckes, insbesondere in einen Vakuumraum zerstäubt werden. In dem unmittelbar an den Ringspalt angrenzenden Zerstäuberraum ist eine gasförmige Umgebung, eine flüssige Umgebung oder ein Vakuum gebildet.
Die aus dem Ringspalt in den Zerstäuberraum austretende Flüssigkeit wird vorzugsweise mit einem vorbestimmten Arbeitsdruck beaufschlagt. Mit dem Arbeitsdruck kann vorteilhafterweise die Geschwindigkeit der Flüssigkeit und dadurch die Tropfengröße nach der Zerstäubung eingestellt werden.
Vorteilhafterweise stehen bei der praktischen Umsetzung der Erfindung keine Beschränkungen in Bezug auf die Amplitude der Ringspaltverengung. Vorteilhafterweise ist es für die erfindungsgemäße Flüssigkeitszerstäubung ausreichend, wenn die Verengung des Ringspalts mindestens 1 %, vorzugsweise mindestens 10 % der Breite des Ringspalts beträgt. Bereits eine derart geringe Einschränkung der Ringspaltbreite führt zu der gewünschten spiralförmigen Instabilität. Alternativ kann eine stärkere Verengung des Ringspalts bis hin zur Ringspaltbreite Null vorgesehen sein.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht im breiten Anwendungsbereich der Zerstäubereinrichtung, z. B. zur Kraftstoff- oder Reaktandenzufuhr in einen Reaktionsraum, insbesondere Verbrennungsraum, zur Bildung von Wirkstoff-Aerosolen, oder zur Erzeugung von künstlichen Schneekristallen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Figur 1: eine schematische Ansicht einer Zerstäubereinrichtung gemäß der Erfindung;
Figur 2: eine Schnittansicht des erfindungsgemäß verwendeten Ringspalts gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Figur 3: eine Draufsicht auf den Ringspalt gemäß Figur 2;
Figur 4: eine schematische Illustration der erfindungsgemäßen Tropfenbildung;
Figur 5 eine Schnittansicht des erfindungsgemäß verwendeten Ringspalts gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Figur 6: eine Draufsicht auf den Ringspalt gemäß Figur 5; Figur 7 : eine Schnittansicht von erfindungsgemäß verwendeten Ringspalten gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung,
Figur 8: eine Draufsicht auf die Ringspalte gemäß Figur 7, und
Figur 9: eine Draufsicht auf eine Vielzahl erfindungsgemäß verwendeter Ringspalte gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Die erfindungsgemäße Zerstäubung einer Flüssigkeit wird im Folgenden unter beispielhaftem Bezug auf eine schematisch dargestellte Zerstäubereinrichtung beschrieben. Es wird betont, dass in Abhängigkeit von der konkreten Anwendung der Erfindung die Bauform der Zerstäubereinrichtung und insbesondere der Ringspaltteile zur Bildung des Ringspalts abgewandelt realisiert werden können. Es kann zum Beispiel anstelle eines kreisförmigen Ringspalts ein Ringspalt mit einer anders gekrümmten Form, z. B. einer Ellipsenform, oder mit einer Polygonform vorgesehen sein. Bei einem Ringspalt mit einer Polygonform wird aus geraden Spaltabschnitten vorzugsweise ein regelmäßiges Vieleck mit z. B. 4 oder mehr Ecken gebildet. Es kann auch eine komplexere Spaltform vorgesehen sein, bei der ein innerer Rand z. B. einen Kreis oder eine Ellipse und der äußere Rand ein Polygon bildet.
Zur erfindungsgemäßen Zerstäubung einer Flüssigkeit 1 in eine Vielzahl einzelner Flüssigkeitstropfen 2 wird die Flüssigkeit 1 mit einer Zerstäubereinrichtung 10 gemäß Figur 1 durch einen Ringspalt 11 gepresst. Der Ringspalt 11 ist zwischen dem ersten, inneren Ringspaltteil 13 und dem zweiten, äußeren Ringspaltteil 14 gebildet. Hierzu weist das äußere Ringspalt- teil 14 einen Kanal 14.1 mit z. B. kreisförmigem Querschnitt auf, in dem das innere Ringspaltteil 13 konzentrisch und mit seinem freien, zum Ringspalt 11 weisenden Ende schwingungsfähig angeordnet ist. Das entgegengesetzte Ende des inneren Ringspaltteils 13 ist im Kanal 14.1 in geeigneter Weise, zum Beispiel mit Stegen am äußeren Ringspaltteil 14 fixiert, so dass die Flüssigkeit 1 in den Ringspalt 11 eintreten kann. Das innere Ringspaltteil 13 kann die Form eines massiven Zapfens (siehe Figuren 2, 3, 9) oder die Form eines Hohlzylin- ders (Figuren 5, 6, 7, 8) aufweisen.
Die Zerstäubereinrichtung 10 weist eine Zufuhrseite 16 auf, an der die Flüssigkeit 1 in den Kanal 14.1 strömt. Die zur Zufuhrseite 16 entgegengesetzte Seite, an der die Flüssigkeit aus dem Ringspalt 11 austritt und in die Flüssigkeitstropfen 2 zerfällt, wird als Austrittseite 17 bezeichnet.
Das äußere Ringspaltteil 14 enthält die Antriebseinrichtung, die z. B. eine Schwingungsquelle 30 zum elektromagnetischen Antrieb des inneren Ringspaltteils 13 umfasst. Das Ringspaltteil, an dem die Spaltschwingung angeregt werden soll, besteht z. B. vollständig oder teilweise aus einem magnetischen Material, auf das mit der Schwingungsquelle 30 eine magnetische Kraft ausgeübt werden kann. Das Ringspaltteil, das orts- fest bleiben soll, besteht allgemein aus einem nichtmagnetischen Material, z. B. Aluminium oder Kunststoff, so dass mit der Schwingungsquelle 30 keine magnetische Kraft ausgeübt werden kann.
An der Austrittseite 17 mündet der Ringspalt 11 unmittelbar in den Zerstäuberraum 20. Das Austrittsende des Ringspalts 11 öffnet sich direkt in den Zerstäuberraum 20. Der Strömungsweg der Flüssigkeit 1 vom Ringspalt 11 in den Zerstäuberraum 20 ist frei von mechanischen Komponenten. Der Zerstäuberraum 20 ist in Abhängigkeit von der konkreten Aufgabe der Zerstäubereinrichtung 10 gebildet, er umfasst z. B. eine Brennkammer einer Brennkraftmaschine, einen Reaktor für chemische Reaktionen oder eine freie atmosphärische Umgebung.
Ein Flüssigkeitsreservoir 40 ist über eine Zufuhrleitung 41 und eine Pumpeneinrichtung 42 mit der Zufuhrseite 16 der Zerstäubereinrichtung 10 verbunden. Mit der Pumpeneinrichtung 42 wird die Flüssigkeit 1 in den Ringspalt 11 gepresst. Der Druck im Kanal 14.1 beträgt z. B. 20 bis 30 bar.
Weitere Einzelheiten der Zerstäubereinrichtung 10 mit einem inneren Ringspaltteil in Form eines kompakten zylinderförmigen Zapfens 13 sind in den Figuren 2 und 3 illustriert. Die zu dispergierende Flüssigkeit 1 wird in Figur 2 von links kommend unter Druck mit einer Geschwindigkeit u durch den Ringspalt 11 gedrückt. Der Ringspalt 11 hat eine Spaltbreite d, die typischerweise weniger als 1 mm, z. B. 100 μm beträgt und wesentlich für die Größe der erfindungsgemäß gebildeten Flüssigkeitstropfen 2 ist. Die am Ringspalt 11 in den freien Zerstäuberraum 20 austretende Flüssigkeit bildet eine schlauchförmige Flüssigkeitsschicht 3.
Wird das innere Ringspaltteil 13, dessen äußerer Rand den In- nenrand des Ringspalts 11 bildet, in eine zirkuläre Schwingung versetzt, so wird der Ringspalt 11 periodisch verengt und somit die Geschwindigkeit am Spaltaustritt in den Zerstäuberraum 20 periodisch moduliert. Durch die zirkuläre Schwingung wird eine radiale Verengung 12 (siehe Figur 3) des Ringspalts 11 gebildet, die entlang dem Ringspalt 11 azimutal umläuft.
Die zirkuläre Schwingung wird bspw. mit der Schwingungsquelle 30 (siehe Figur 1) erzeugt, in dem zwei in x- und y-Richtung zueinander senkrecht stehende Magnetfeldkomponenten mit einer geringfügigen Phasenverstellung erzeugt werden, so dass die resultierende Magnetfeldkomponente in der x-y-Ebene umläuft und entsprechend die umlaufende Verengung 12 gebildet wird. Die Frequenz des Umlaufs der Verengung 12 beträgt z. B. 30 kHz. Wenn in den Ringspalten mehrere gegenläufig umlaufende Verengungen erzeugt werden, kann vorteilhafterweise die Umlauffrequenz um den Faktor 2 erhöht werden.
Die zunächst schlauchförmige Flüssigkeitsschicht 3 zerfällt auf der Grundlage der folgenden Abschätzung in einzelne Tropfen 2. Die Bewegung des Mittelpunkts des inneren Ringspaltteils 13 kann beschrieben werden mit:
y(t) = a sin{l7rv - t) und jc(t) = a ■ ( i ;
(v: Frequenz des Umlaufs der Verengung 12, a: Amplitude, t: Zeit) .
Entsprechend tritt die Verengung 12 des Ringspalts 11 überall mit der gleichen Periode, jedoch mit verschobener Phase ein. Am Austritt des Ringspalts 11 in den Zerstäuberraum 20 ist die Flüssigkeitsgeschwindigkeit u zeitlich gemäß Gleichung (2) moduliert:
u{t)» M0 + «i sin(2πvt + ψ) (2 )
(wobei ψ eine linear mit dem Azimutwinkel φ variierende Phase ist) .
Entsprechend wird die Dicke h der aus dem Ringspalt 11 austretenden Flüssigkeitsschicht 3 in Raum und Zeit variiert, wie dies schematisch in Figur 4 illustriert ist. Die Wellen- länge λ dieser Variation ist direkt durch die mittlere Austrittsgeschwindigkeit Uo und die Frequenz v der Zapfenschwingung gegeben:
λ = uo/v (3)
Die Massenträgheit der Flüssigkeit 1 führt dazu, dass die Geschwindigkeitsmodulation gemäß Gleichung (2) in die Flüssigkeitsschicht 3 hinein fortgesetzt wird. Die Geschwindigkeit u(z,t) im Strahl wird durch die sogenannte Burgers-Gleichung gemäß Gleichung (4) beschrieben:
du δu _ γ δ h
A) δt δz p δz2
In Gleichung (4) bedeuten γ die Oberflächenspannung (bzw. bei der Emulgation die Grenzflächenspannung) und p die Dichte der Flüssigkeit 1. Auf der Grundlage der Burgers-Gleichung (4) kommt es nach einer charakteristischen Weglänge ∑o zu einer Abschnürung der Flüssigkeitsschicht 3. Die Weglänge ∑o kann gemäß Gleichung (5) genährt beschrieben werden mit:
top
Entsprechend bildet sich mit dem Abstand ZQ vom Ende des Ringspalts 11 ein etwa zylindrischer Wulst in der Flüssigkeitsschicht 3, dessen Querschnittsfläche durch λd gegeben ist.
Wegen der im Zeitverlauf umlaufenden Verengung 12 (siehe Fi- gur 3) des Ringspalts 11 wird durch die Abschnürung nicht ein Torus gebildet, sondern ein spiralförmiger Strang mit einer charakteristischen Steigung λ . Der Abschnürungsprozess findet an einem Ort nach dem Ende des Ringspaltes 11 kontinuierlich umlaufend statt. Dadurch wird die Erzeugung von Satellitentropfen mit stark abweichender und somit unerwünschter Größe minimiert oder ausgeschlossen.
Der zylindrische Wulst zerfällt anschließend durch die Ray- leigh-Plateau-Instabilität in einzelne Tropfen 2. Dabei ist der Abstand der Tropfen gemäß Gleichung (6) gegeben durch
(r: Radius des als kreisförmig angenäherten Strangquerschnitts)
Entsprechend haben die Flüssigkeitstropfen 2 und ein Volumen von ungefähr
^Sπd3λ3 (7)
und entsprechend einen Radius von ungefähr
Der Zerfall des spiralförmigen Flüssigkeitsstrahls kann durch eine azimutale Oberflächenstruktur im Ringspalt 11 gefördert werden. Die azimutale Oberflächenstruktur umfasst eine Welligkeit, die genau die Periode der Rayleigh-Plateau- Instabilität gemäß Gleichung (6) aufweist. Durch die Oberflä- chenstruktur im Ringspalt 11 wird ein Deformationsfeld auf dem durch die erste Abschnürung entstehenden Zylinderwulst gebildet, das der maximal instabilen Wellenzahl entspricht und somit innerhalb einiger Mikrosekunden zur Abschnürung führt.
Die Schwingungsamplitude a gemäß Gleichung (1) wird auf der Grundlage der folgenden Überlegungen gewählt. Vorzugsweise erfolgt die erste Abschnürung zur Bildung des spiralförmigen Flüssigkeitsstrahls mit einem Abstand vom Ende des Ringspalts 11, der geringer als eine Wellenlänge λ ist (z0 < λ) . Für die Geschwindigkeitsmodulation V1 gilt wegen der Massenerhal- tung unter der Annahme einer geringen Kompressibilität der Zusammenhang gemäß Gleichung (9).
M1C? « πvnD ( 9 )
so dass sich mit Gleichung (4) ergibt:
*≥T 4π^2D (10)
In den Gleichungen (9) und (10) ist D die axiale Länge des Ringspalts 11 (siehe Figur 2) .
Wenn D > λ erfüllt ist, kann die Bedingung gemäß Gleichung (10) stets leicht erfüllt werden. Für eine besonders homogene Tropfenbildung nach dem Ringspalt 11 wird vorzugsweise die Amplitude a gemäß Gleichung (11) wie folgt gewählt.
a_>2d_
(ii: πD
Bei Spaltbreiten d von z. B. 100 μm und einer Viskosität der Flüssigkeit 1 entsprechend der Viskosität von Wasser bei Raumtemperatur wird eine axiale Länge D des Ringspalts 11 von rd. 1 mm gewählt. Für den dispensierbaren Massendurchsatz dV/dt gilt mit der Spaltlänge L gemäß Gleichung (12) :
Wird als inneres Ringspaltteil 13 ein Metallzapfen (L = 3 cm) mit einer Resonanzfrequenz von 40 kHz verwendet, so können bei einer Austrittsgeschwindigkeit von 60 m/s und einer Spaltbreite d von 100 μm pro Sekunde 180 ml Flüssigkeit zerstäubt werden. Hierzu ist vorteilhafterweise eine Energie von nur wenigen Watt (typischerweise weniger als 1 W) erforderlich, wobei die Dämpfung der Schwingung des inneren Ringspaltteils 13 durch die im Ringspalt 11 befindliche Flüssig- keit vernachlässigbar ist.
In den Figuren 5 bis 9 sind abgewandelte Ausführungsformen der Erfindung illustriert. Bei der in den Figuren 5 und 6 gezeigten Ausführungsform umfasst das innere Ringspaltteil 13 einen Hohlzylinder mit einem inneren Hohlraum 13.1. Der Ringspalt 11 wird zwischen dem inneren Ringspaltteil 13 und dem äußeren Ringspaltteil 14 gebildet. Bei der in den Figuren 7 und 8 gezeigten Ausführungsform sind mehrere konzentrische Ringspaltteile 13, 14 und 15 vorgesehen, die zwei Ringspalte 11, 11.1 mit zwei Verengungen 12, 12.1 bilden. Für jeden der Ringspalte gelten die obigen Abschätzungen entsprechend. Die Ringspalte 11, 11.1 können mit einem gemeinsamen Kanal 14.1 (siehe Figur 1) oder mit getrennten Kanälen zur Zuführung verschiedener Flüssigkeiten verbunden sein.
Das Prinzip der konzentrisch gebildeten Ringspalte kann erweitert werden, wie mit der Draufsicht auf das Austrittsende einer erfindungsgemäßen Zerstäubereinrichtung in Figur 9 bei- spielhaft gezeigt ist. Es sind sechs Ringspaltteile 13 bis 18 vorgesehen, zwischen denen jeweils ein Ringspalt gebildet ist. Jedes zweite Ringspaltteil wird mit der Spaltschwingung beaufschlagt (siehe Symbol *), so dass in den angrenzenden Ringspalten die umlaufenden Verengungen erzeugt werden können.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Zerstäubung mindestens einer Flüssigkeit (1) mit einer Zerstäubereinrichtung (10), die mindestens einen Ringspalt (11, 11.1) aufweist, mit den Schritten:
- Austritt der Flüssigkeit (1) durch den mindestens einen Ringspalt (11, 11.1) in einen Zerstäuberraum (20), wobei min- destens eine Verengung (12, 12.1) des Ringspalts (11, 11.1) erzeugt wird, die am mindestens einen Ringspalt (11, 11.1) umläuft, und
- Zerfall der Flüssigkeit (1) im Zerstäuberraum (20) mit einem Abstand vom mindestens einen Ringspalt (11, 11.1) in Flüssigkeitstropfen (2).
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine konzentrische Anordnung von mindestens zwei Ringspaltteilen (13, 14, 15, 16, 17, 18) vorgesehen ist und der mindestens eine Ringspalt (11, 11.1) zwischen Ringspaltteilen (13, 14, 15, 16, 17, 18) gebildet ist, die in der konzentrischen Anordnung benachbart sind, wobei die mindestens eine umlaufende Verengung (12, 12.1) durch eine Spaltschwingung von mindestens einem der Ringspaltteile (13, 14, 15, 16, 17, 18) erzeugt wird, die den entsprechenden Ringspalt (11, 11.1) begrenzen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem ein erster Ringspalt (11) vorgesehen ist, der durch ein erstes und ein zweites Ringspaltteil (13, 14) begrenzt wird, wobei die um- laufende Verengung (12) durch eine Spaltschwingung von mindestens einem der ersten und zweiten Ringspaltteile (13, 14) erzeugt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem ein zweiter Ringspalt (11.1) vorgesehen ist, der durch das zweite Ringspaltteil (13) und ein drittes Ringspaltteil (15) begrenzt wird, welches das zweite Ringspaltteil (13) umgibt, wobei durch die Spaltschwingung des zweiten Ringspaltteils (14) im ersten und zweiten Ringspalt (11, 11.1) umlaufende Verengungen (12, 12.1) erzeugt werden.
5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem mindestens ein Schwingungsparameter der Spaltschwingung derart eingestellt wird, dass die Flüssigkeitstropfen (2) eine vorbestimmte Größe aufweisen.
6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem die Umlauffrequenz der Spaltschwingung im Bereich von
10 kHz bis 400 kHz gewählt ist.
7. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, mit dem Schritt: - Aufprägung einer azimutalen Struktur auf mindestens eine Flüssigkeitsoberfläche der durch den mindestens einen Ringspalt (11, 11.1) austretenden Flüssigkeit (1).
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die azimutale Struktur im Ringspalt (11, 11.1) aufgeprägt wird.
9. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Flüssigkeit in den Zerstäuberraum (20) in eine gasförmige Umgebung, eine flüssige Umgebung oder eine Umgebung reduzierten Druckes austritt.
10. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem durch mehrere Ringspalte (11, 11.1) ver- schiedene Flüssigkeiten (1) in die Umgebung austreten und in Flüssigkeitstropfen zerfallen.
11. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden An- sprüche, bei dem die mindestens eine Verengung (12, 12.1) am mindestens einen Ringspalt (11, 11.1) mindestens 1 % der Breite des mindestens einen Ringspalts (11, 11.1) beträgt.
12. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden An- sprüche, bei dem mindestens zwei Verengungen (12, 12.1) am mindestens einen Ringspalt (11, 11.1) erzeugt werden.
13. Zerstäubereinrichtung (10), die zur Zerstäubung einer Flüssigkeit (1) eingerichtet ist, umfassend: - eine konzentrische Anordnung von mindestens zwei Ringspaltteilen (13, 14, 15, 16, 17, 18), zwischen denen mindestens ein Ringspalt (11, 11.1) gebildet ist, und
- eine Antriebseinrichtung (30) , mit der am mindestens einen Ringspalt (11, 11.1) mindestens eine umlaufende Verengung (12) erzeugt werden kann.
14. Zerstäubereinrichtung nach Anspruch 13, bei der die Antriebseinrichtung eine Schwingungsquelle (30) umfasst, mit der an mindestens einem der Ringspaltteile (13, 14, 15, 16, 17, 18) eine Spaltschwingung derart anregbar ist, dass die Verengung am mindestens einen Ringspalt (11, 11.1) umläuft.
15. Zerstäubereinrichtung nach Anspruch 14, bei der ein erster Ringspalt (11) vorgesehen ist, der durch ein erstes und ein zweites Ringspaltteil (13, 14) begrenzt wird, wobei die Schwingungsquelle (30) zur Anregung der Spaltschwingung von mindestens einem der ersten und zweiten Ringspaltteile (13, 14) vorgesehen ist.
16. Zerstäubereinrichtung nach Anspruch 15, bei der ein zweiter Ringspalt (11.1) vorgesehen ist, der durch das zweite Ringspaltteil (13) und ein drittes Ringspaltteil (15) begrenzt wird, weiches das zweite Ringspaltteil (13) umgibt, wobei die Schwingungsquelle (30) zur Anregung der Spaltschwingung des zweiten Ringspaltteils (14) vorgesehen ist.
17. Zerstäubereinrichtung nach Anspruch 15 oder 16, bei der das zweite Ringspaltteil (14) einen Kanal (14.1) auf- weist, in dem das erste Ringspaltteil (13) angeordnet ist.
18. Zerstäubereinrichtung nach Anspruch 17, bei der das erste Ringspaltteil (13) einen zylinderförmigen Zapfen um- fasst .
19. Zerstäubereinrichtung nach Anspruch 18, bei der das erste Ringspaltteil (13) hohl ist.
20. Zerstäubereinrichtung nach mindestens einem der An- sprüche 13 bis 16, bei der mindestens eines der Ringspaltteile (13, 14, 15, 16, 17, 18) eine Oberflächenstruktur zur Aufprägung einer azimutalen Struktur auf mindestens eine Flüssigkeitsoberfläche der durch den mindestens einen Ringspalt (11, 11.1) austretenden Flüssigkeit (1) aufweist.
21. Zerstäubereinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 13 bis 20, bei der der mindestens eine Ringspalt (13, 14, 15, 16, 17, 18) kreisförmig, elliptisch oder polygonal ist.
22. Zerstäubereinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 13 bis 21, die eine Zufuhrseite (10.1) aufweist, die zur Zuführung der Flüssigkeit (1) zu dem mindestens einen Ringspalt (11, 11.1) vorgesehen ist.
23. Zerstäubereinrichtung nach Anspruch 22, wobei die Zufuhrseite (16) mit einem Flüssigkeitsreservoir (40) verbunden ist.
24. Zerstäubereinrichtung nach Anspruch 23, bei der eine Pumpeneinrichtung (42) vorgesehen ist, mit der die Flüssigkeit
(1) unter Druck in den mindestens einen Ringspalt (11, 11.1) zuführbar ist.
25. Zerstäubereinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 13 bis 24, die eine Austrittsseite (10.2) aufweist, die zum Austritt der Flüssigkeit (1) aus der Zerstäubereinrichtung (10) vorgesehen ist und an der der mindestens eine Ringspalt (13, 14, 15, 16, 17, 18) in eine Umgebung der Zerstäubereinrichtung mündet.
26. Zerstäubereinrichtung nach Anspruch 25, bei der die Austrittsseite (17) mit einem Zerstäuberraum (20) verbunden ist.
27. Zerstäubereinrichtung nach Anspruch 26, bei der der Zerstäuberraum (20) mit einem Gas oder einer Flüssigkeit gefüllt oder mit einem Unterdruck beaufschlagt ist.
28. Verwendung eines Verfahrens oder einer Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche:
- zur Kraftstoffzufuhr in einen Verbrennungsraum,
- zur Bildung von Wirkstoff-Aerosolen, oder
- zur Erzeugung von Schneekristallen.
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