ES2265561T3 - ULTRASONIC AIR ASSISTED ATOMIZER. - Google Patents
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Abstract
Description
Atomizador ultrasónico asistido por aire.Air assisted ultrasonic atomizer.
La presente invención se refiere a un atomizador ultrasónico asistido por aire con un aumento en el flujo de líquido a atomizar, un aumento en la calidad de la atomización y una distribución del tamaño de gota de nebulización controlada y reducida.The present invention relates to an atomizer Air-assisted ultrasonic with an increase in fluid flow to atomize, an increase in the quality of atomization and a distribution of controlled fogging droplet size and reduced
Son muy conocidos los atomizadores ultrasónicos compuestos por elementos piezoeléctricos unidos a un amplificador mecánico, por ejemplo a partir del documento US nº 4.153.201 en el que se basan los preámbulos de las reivindicaciones 1 y 5. El amplificador mecánico permite aumentar la energía de la onda acústica generada por los elementos piezoeléctricos hasta un nivel de intensidad suficiente para iniciar y mantener el proceso de atomización. Los atomizadores ultrasónicos se pueden clasificar en dos categorías principales según el mecanismo físico de formación de las gotas.Ultrasonic atomizers are well known composed of piezoelectric elements attached to an amplifier mechanical, for example from US 4,153,201 in the that the preambles of claims 1 and 5 are based. mechanical amplifier allows to increase the energy of the wave acoustics generated by piezoelectric elements up to a level of sufficient intensity to initiate and maintain the process of atomization. Ultrasonic atomizers can be classified into two main categories according to the physical training mechanism of the drops.
La primera categoría se refiere a los atomizadores ultrasónicos en los que la producción de gotas se controla principalmente mediante la desintegración de un chorro de líquido gracias a la inestabilidad de las ondas capilares. Dichas ondas aparecen en un líquido sometido a un flujo que permanece en contacto con una superficie sólida oscilante. La superficie sólida habitualmente está constituida por la parte interna de un canal pequeño realizado en el amplificador mecánico, siendo las vibraciones mecánicas paralelas al flujo del líquido. La atomización se produce en cuanto el líquido abandona el canal (véase, por ejemplo, la patente US-A-5.687.905). La presente invención no se refiere a dicho tipo de atomizadores ultrasónicos.The first category refers to the ultrasonic atomizers in which the production of drops is mainly controlled by the disintegration of a jet of liquid thanks to instability of capillary waves. These waves appear in a liquid under a flow that remains in contact with a solid oscillating surface. Solid surface it is usually constituted by the internal part of a channel small made in the mechanical amplifier, being the mechanical vibrations parallel to the flow of the liquid. The atomization occurs as soon as the liquid leaves the channel (see, for example, the patent US-A-5,687,905). The present invention does not refer to said type of atomizers Ultrasonic
La segunda categoría se refiere a los atomizadores ultrasónicos caracterizados por una producción de gotitas basada en la desintegración de una masa de ligamentos que resulta de un patrón cuadrado de la inestabilidad de las ondas superficiales. Dicho proceso tiene lugar sobre una superficie de atomización que puede presentar distintas formas: cónica, esférica, plana con o sin meseta... Cuando el líquido llega a la superficie de atomización, se propaga casi instantáneamente bajo el efecto de las vibraciones y forma una película cuyo espesor depende del caudal de flujo. La película líquida se somete a vibraciones transversales y se desarrolla un patrón de onda cuadrado en su superficie de contacto. Se puede garantizar el suministro de líquido mediante un canal realizado en el amplificador mecánico hasta la superficie de atomización o mediante un tubo externo que termina muy próximo a la superficie de atomización. En cualquier caso, la presión de inyección requerida, resulta muy pequeña. Sindayihebura, Bolle, Cornet y Joannes (J. Acoust. Soc. Am. 103 (3), 1998, pág. 1442-1448) desarrollaron un modelo matemático que permitía una determinación precisa de las dimensiones óptimas de la segunda categoría de atomizadores ultrasónicos en función de una frecuencia determinada.The second category refers to ultrasonic atomizers characterized by a droplet production based on the disintegration of a mass of ligaments that results from a square pattern of surface wave instability. This process takes place on an atomization surface that can have different forms: conical, spherical, flat with or without a plateau ... When the liquid reaches the atomization surface, it spreads almost instantaneously under the effect of vibrations and forms a film whose thickness depends on the flow rate. The liquid film is subjected to transverse vibrations and a square wave pattern develops on its contact surface. The liquid supply can be guaranteed by a channel made in the mechanical amplifier to the atomization surface or by an external tube that ends very close to the atomization surface. In any case, the required injection pressure is very small. Sindayihebura, Bolle, Cornet and Joannes ( J. Acoust. Soc. Am . 103 (3), 1998, p. 1442-1448) developed a mathematical model that allowed a precise determination of the optimal dimensions of the second category of ultrasonic atomizers in function of a certain frequency.
A pesar de que dichos atomizadores ultrasónicos producen una pulverización mucho más fina que los inyectores mecánicos clásicos, la distribución del tamaño de nebulización puede resultar no tan estrecho como se esperaba. De hecho, a veces se producen gotas grandes. La presencia de dichas gotas hacen que el atomizador resulte inadecuado para determinadas aplicaciones domésticas o industriales. Además, se ha observado que la variación del flujo de líquido puede ir acompañada de variaciones de las características de la nebulización y de la distribución del tamaño de gota de nebulización que no resultan insignificantes. El aumento del flujo provoca una atomización gruesa y un mayor consumo de energía. Dicho comportamiento limita la posible utilización de dichos atomizadores en aplicaciones domésticas o industriales que requieran únicamente flujos muy reducidos.Although such ultrasonic atomizers produce a much finer spray than the injectors classic mechanics, the misting size distribution can turn out not as narrow as expected. In fact, sometimes it They produce large drops. The presence of these drops make the atomizer is inappropriate for certain applications Domestic or industrial. In addition, it has been observed that the variation of the flow of liquid may be accompanied by variations of the fogging and size distribution characteristics of fogging droplets that are not insignificant. Increasing of the flow causes a thick atomization and a higher consumption of Energy. Such behavior limits the possible use of said atomizers in domestic or industrial applications that require only very small flows.
La presente invención tiene como objetivo proporcionar un atomizador ultrasónico de baja frecuencia con un flujo de líquido a atomizar significativamente aumentado, un aumento en la calidad de la atomización y una distribución del tamaño de gota de nebulización controlada y reducida, superando los inconvenientes de las soluciones de las técnicas actuales.The present invention aims at provide a low frequency ultrasonic atomizer with a significantly increased liquid flow to atomize, an increase in atomization quality and a size distribution of controlled and reduced fogging drop, exceeding Disadvantages of the solutions of current techniques.
La presente invención se refiere a un procedimiento de atomización de un líquido que comprende las etapas siguientes:The present invention relates to a atomization process of a liquid comprising the steps following:
- \bullet?
- proporcionar un atomizador ultrasónico que comprende un amplificador mecánico que presenta un extremo libre que constituye una superficie de atomización, y un canal de suministro del líquido que proporciona el líquido a dicha superficie de atomización, provide an atomizer ultrasonic comprising a mechanical amplifier that has a free end constituting an atomizing surface, and a liquid supply channel that provides the liquid to said atomization surface,
- \bullet?
- fijar dicho atomizador ultrasónico en una carcasa mediante una brida de fijación provista de unos conductos para el gas, sin que dicha carcasa se encuentre en contacto con dicho amplificador mecánico, fix said atomizer ultrasonic in a housing by means of a fixing flange provided of conduits for the gas, without said housing being found in contact with said mechanical amplifier,
- \bullet?
- provocar un flujo de gas alrededor de dicho atomizador ultrasónico dirigido hacia una serie de orificios que se encuentran en la superficie de dicha superficie de atomización, y cause a gas flow around said ultrasonic atomizer directed towards a series of holes found on the surface of said surface atomization, and
- \bullet?
- atomizar el líquido sobre dicha superficie de atomización. atomize the liquid over said atomization surface.
Ventajosamente, se provoca el flujo de gas mediante una presión de inyección inferior a 1 bar. Preferentemente el flujo de gas consiste en un flujo de aire.Advantageously, gas flow is caused by an injection pressure of less than 1 bar. Preferably The gas flow consists of an air flow.
En las formas de realización habituales, el atomizador ultrasónico funciona a una frecuencia inferior a los 400 kHz.In the usual embodiments, the Ultrasonic atomizer works at a frequency below 400 kHz
En un segundo objetivo, la presente invención se refiere a un dispositivo destinado a atomizar un líquido. El dispositivo comprende un atomizador ultrasónico que funciona a una frecuencia inferior a los 400 kHz, comprendiendo dicho atomizador un amplificador mecánico que comprende un extremo libre que constituye una superficie de atomización, y un canal de suministro de líquido que proporciona líquido a la superficie de atomización. El dispositivo comprende además una brida de fijación que encierra el atomizador ultrasónico en una carcasa, por lo que no se produce contacto alguno entre la carcasa y el amplificador mecánico. La brida de fijación comprende unos conductos para el gas y la superficie de atomización comprende una serie de orificios a través de los que puede fluir el gas.In a second objective, the present invention will be refers to a device intended to atomize a liquid. He device comprises an ultrasonic atomizer that operates at a frequency lower than 400 kHz, said atomizer comprising a mechanical amplifier comprising a free end that constitutes an atomization surface, and a supply channel of liquid that provides liquid to the atomizing surface. The device further comprises a fixing flange that encloses the ultrasonic atomizer in a housing, so it does not occur any contact between the housing and the mechanical amplifier. The fixing flange includes some conduits for the gas and the atomization surface comprises a series of holes through from which the gas can flow.
Ventajosamente el flujo de gas es un flujo de aire.Advantageously the gas flow is a flow of air.
Dicha carcasa presenta habitualmente la forma de una tobera.Said housing usually has the form of a nozzle
En una forma de realización preferida, el canal de suministro del líquido se dispone en el interior del atomizador ultrasónico. En una forma de realización alternativa el canal de alimentación del líquido es externo al atomizador ultrasónico.In a preferred embodiment, the channel Liquid supply is arranged inside the atomizer ultrasonic. In an alternative embodiment the channel of Liquid feed is external to the ultrasonic atomizer.
Otro objetivo de la invención se refiere a un dispositivo de humidificación que comprende un dispositivo destinado a atomizar un líquido tal como se ha descrito anteriormente.Another object of the invention relates to a humidification device comprising a device intended to atomize a liquid as described above.
La Figura 1 representa una sección lateral del sistema de atomización según la presente invención.Figure 1 represents a side section of the atomization system according to the present invention.
La Figura 2 representa una sección lateral de una forma de realización alternativa del sistema de atomización.Figure 2 represents a side section of an alternative embodiment of the atomization system.
La Figura 3 representa la superficie de atomización de los sistemas ilustrados en la Figuras 1 y 2.Figure 3 represents the surface of atomization of the systems illustrated in Figures 1 and 2.
La Figura 4 representa una sección lateral.Figure 4 represents a side section.
La Figura 5 representa la superficie de atomización del sistema ilustrada en la Figura 4.Figure 5 represents the surface of atomization of the system illustrated in Figure 4.
Las Figuras 6, 7 y 9 representan alternativas de los sistemas de atomización presentados en las Figuras 1, 2 y 4. Un sistema de suministro del líquido externo al atomizador caracteriza básicamente dichas alternativas.Figures 6, 7 and 9 represent alternatives of the atomization systems presented in Figures 1, 2 and 4. A supply system of the external liquid to the atomizer characterizes basically those alternatives.
La Figura 8 representa la superficie de atomización de los atomizadores ilustrados en las Figuras 6 y 7.Figure 8 represents the surface of atomization of the atomizers illustrated in Figures 6 and 7.
La Figura 10 representa la superficie de atomización del atomizador ilustrado en la Figura 9.Figure 10 represents the surface of atomizer atomization illustrated in Figure 9.
La Figura 11 representa la distribución del tamaño de nebulización en función del volumen para un flujo de líquido de 0,4 l/h.Figure 11 represents the distribution of Fog size as a function of volume for a flow of 0.4 l / h liquid.
La Figura 12 representa la distribución del tamaño de nebulización en función del volumen para un flujo de líquido de 0,65 l/h.Figure 12 represents the distribution of Fog size as a function of volume for a flow of 0.65 l / h liquid.
El reto real de la tecnología de atomización ultrasónica es el incremento del flujo del líquido hasta niveles adecuados para utilizarse en aplicaciones industriales a gran escala. El atomizador ultrasónico descrito en la presente invención resulta adecuado para aplicaciones de saneamiento del aire, especialmente aquéllas en que se necesita un flujo de líquido elevado tales como en el caso de la humidificación. Existen muchas otras aplicaciones industriales y domésticas tales como la atomización de combustible en motores de combustión interna y en quemadores y la difusión de líquidos específicos en sistemas de producción de nieve artificial.The real challenge of atomization technology Ultrasonic is the increase in liquid flow to levels suitable for use in large industrial applications scale. The ultrasonic atomizer described in the present invention It is suitable for air sanitation applications, especially those in which a fluid flow is needed elevated such as in the case of humidification. There are many other industrial and domestic applications such as the fuel atomization in internal combustion engines and in burners and diffusion of specific liquids in systems artificial snow production.
El atomizador ultrasónico de baja frecuencia (inferior a 400 kHz) que se da a conocer en la presente invención pertenece a la segunda categoría de atomizadores ultrasónicos tal como se ha descrito en las técnicas anteriores. Los inconvenientes de las soluciones de las técnicas anteriores se superan gracias a un flujo de aire adecuado y eficaz, generado a través una serie de pequeños orificios realizados en la superficie de atomización del atomizador. El flujo de aire se provoca mediante una presión de inyección muy reducida (\DeltaP_{i} < 1 bar). Inesperadamente un ventilador de pequeñas dimensiones o la desviación de una pequeña fracción de aire que pasa a través de una chimenea de ventilación resulta suficiente para producir el efecto requerido.The ultrasonic low frequency atomizer (less than 400 kHz) disclosed in the present invention belongs to the second category of ultrasonic atomizers such as described in the prior art. The inconveniences of the solutions of the prior techniques are overcome thanks to a adequate and effective air flow, generated through a series of small holes made in the atomization surface of the atomizer. The air flow is caused by a pressure of greatly reduced injection (ΔPi <1 bar). Unexpectedly a fan of small dimensions or the deviation of a small fraction of air that passes through a ventilation chimney is sufficient to produce the effect required.
Dicha técnica de flujo de aire permite disminuir los contactos entre los extremos de ligamento cuya ruptura provoca el proceso de formación de gotas, para limitar el impacto de gotas y presentar una mejor eliminación de las gotas alrededor de la superficie de atomización. Otras ventajas comprenden:Said air flow technique allows to decrease contacts between ligament ends whose rupture causes the drop formation process, to limit the impact of drops and present a better elimination of the drops around the atomization surface. Other advantages include:
- \bullet?
- un aumento significativo del flujo de líquido atomizado al mismo tiempo que se mantiene una muy buena calidad de atomización sin incremento alguno en el consumo de energía, a significant increase of the atomized liquid flow while maintaining a very good atomization quality without any increase in consumption of energy,
- \bullet?
- la producción de una pulverización líquida mucho más fina que la producida mediante los atomizadores ultrasónicos clásicos de la segunda categoría; por ejemplo, a una frecuencia de trabajo de 55 kHz, el diámetro medido de las gotitas mayores en la nebulización es igual a 150 \mum para un atomizador ultrasónico que no esté asistido por aire e igual a 98 \mum para un atomizado ultrasónico asistido por aire a una presión de inyección de aire de aproximadamente 200 mbar, y the production of a liquid spray much finer than that produced by classic ultrasonic atomizers of the second category; by for example, at a working frequency of 55 kHz, the measured diameter of the major droplets in the fogging equals 150 µm for an ultrasonic atomizer that is not air assisted and equal to 98 µm for an air-assisted ultrasonic spray at a air injection pressure of approximately 200 mbar, Y
- \bullet?
- la posibilidad de controlar el ángulo de nebulización actuando sobre la dirección del flujo de aire. the possibility of controlling the fogging angle acting on the flow direction of air.
La Figura 1 presenta la parte aguas abajo de un atomizador ultrasónico asistido por aire. El propio atomizador ultrasónico esta compuesto por un par de elementos piezoeléctricos (1), un amplificador mecánico (2) y un soporte (3) que intercala los elementos piezoeléctricos contra el amplificador. El extremo libre del amplificador mecánico constituye la superficie de atomización (4). Comprende una serie de orificios de unas dimensiones reducidas (9) a través de las que fluye una fracción elevada del aire. El suministro del líquido se realiza gracias a la utilización de un canal con un diámetro reducido (7) dispuesto en el interior del amplificador mecánico (2) (Figuras 1 a 5) o en contacto con la superficie de atomización (4) y que suministra el líquido a dicha superficie (Figuras 6 a 10). Una brida de fijación (6) fija el atomizado ultrasónico a una carcasa (5) que encierra el flujo de aire. La brida de fijación del atomiza se encuentra perforada simétricamente (8) a fin de crear unos conductos para el aire (10). La carcasa puede presentar ventajosamente la forma de una tobera. Su geometría interna se encuentra diseñada de modo que el flujo de aire se dirige hacia los orificios de la superficie de atomización. Resulta importante que no se produzca contacto alguno entre la tobera (carcasa (5)) y el mecanismo amplificador (2). De este modo, la parte descendente de la tobera y de la superficie de atomización delimitan una abertura anular de un espesor muy reducido ("d" en la Figura 1). Ello permite minimizar el flujo de gas que sale de dicha abertura. La disposición del atomizador en la carcasa se realiza a fin de garantizar un flujo de gas simétrico alrededor del atomizador ultrasónico.Figure 1 shows the downstream part of a air assisted ultrasonic atomizer. The atomizer itself Ultrasonic is composed of a pair of piezoelectric elements (1), a mechanical amplifier (2) and a support (3) that interleaves the piezoelectric elements against the amplifier. The extreme free of the mechanical amplifier constitutes the surface of atomization (4). It comprises a series of holes of some small dimensions (9) through which a fraction flows high air The liquid is supplied thanks to the use of a channel with a reduced diameter (7) arranged in the inside the mechanical amplifier (2) (Figures 1 to 5) or in contact with the atomizing surface (4) and that supplies the liquid to said surface (Figures 6 to 10). A fixing flange (6) fix the ultrasonic spray to a housing (5) that encloses the air flow. The atomizer fixing flange is located symmetrically perforated (8) in order to create conduits for the air (10). The housing can advantageously have the form of a nozzle Its internal geometry is designed so that the air flow is directed towards the holes in the surface of atomization. It is important that no contact occurs between the nozzle (housing (5)) and the amplifier mechanism (2). From this way, the descending part of the nozzle and the surface of atomization delimit an annular opening of a very small thickness ("d" in Figure 1). This allows to minimize gas flow coming out of that opening. The arrangement of the atomizer in the housing is made in order to guarantee a symmetrical gas flow around the ultrasonic atomizer.
Se pueden concebir diversas formas de realización. Tal como se ha expuesto anteriormente, en la Figura 1, la tobera deja únicamente una abertura muy estrecha en la carcasa. Se pueden prever algunos canales para que pase el aire. La superficie de atomización (4) se ilustra en la Figura 3, junto con los orificios (9) de dimensiones reducidas y el orificio de emisión del canal de suministro del líquido (7). En la Figura 2, el aire pasa inmediatamente a la superficie de atomización. En la Figura 4, la carcasa presenta una forma distinta, dando origen a una superficie de atomización con un número inferior de orificios, tal como puede observarse en la Figura 5.Various forms of realization. As discussed above, in Figure 1, the nozzle leaves only a very narrow opening in the housing. You can provide some channels for air to pass. The atomization surface (4) is illustrated in Figure 3, together with the holes (9) of reduced dimensions and the emission hole of the liquid supply channel (7). In Figure 2, the air immediately goes to the atomization surface. In Figure 4, The housing has a different shape, giving rise to a atomizing surface with a lower number of holes, such as can be seen in Figure 5.
Las Figuras 6, 7 y 9 representan formas de realización en las que el canal de suministro del líquido se dispone de otro modo. En dichos casos no se necesita orificio alguno en medio de la superficie de atomización para suministrar el líquido.Figures 6, 7 and 9 represent forms of embodiment in which the liquid supply channel is disposed else. In such cases no hole is needed in middle of the atomizing surface to supply the liquid.
A continuación se exponen algunos resultados con un atomizador ultrasónico de 55 kHz.Below are some results with a 55 kHz ultrasonic atomizer.
El flujo máximo de agua (q_{v}) de un atomizador de 55 kHz que no está asistido por aire es igual a 1,1 l/h. Con un flujo de aire provocado mediante una presión de inyección de 200 mbar (\DeltaP_{i}aire = 200 mbar), el flujo máximo de líquido (q_{v}) aumenta hasta 4,2 l/h. Las Figuras 11 y 12 ilustran la distribución del tamaño de gota de nebulización en función del volumen obtenida para dos flujos de líquido distintos, 0,40 l/h y 0,65 l/h, respectivamente. En ambos casos, la presión de inyección del aire es igual a 200 mbar. Se puede observar que la nebulización resultante es mucho más fina cuando la atomización se produce asistida por aire.The maximum water flow (q_ {v}) of a 55 kHz atomizer that is not air assisted is equal to 1.1 l / h With an air flow caused by a pressure of 200 mbar injection (ΔP i air = 200 mbar), the flow maximum liquid (q_ {v}) increases to 4.2 l / h. Figures 11 and 12 illustrate the distribution of the fog drop size in function of the volume obtained for two different liquid flows, 0.40 l / h and 0.65 l / h, respectively. In both cases, the pressure of Air injection is equal to 200 mbar. It can be seen that the resulting fogging is much finer when the atomization is Produces air assisted.
Claims (10)
- \bullet?
- proporcionar un atomizador ultrasónico que comprende un amplificador mecánico (2) que presenta un extremo libre que constituye una superficie de atomización (4), y un canal de suministro de líquido (7) que proporciona el líquido a dicha superficie de atomización (4), provide an atomizer Ultrasonic comprising a mechanical amplifier (2) presenting a free end constituting an atomization surface (4), and a liquid supply channel (7) that provides the liquid to said atomization surface (4),
- \bullet?
- fijar dicho atomizador ultrasónico en una carcasa (5) mediante una brida de fijación (6) provista de unos conductos para el gas (10), no estando dicha carcasa (5) en contacto con dicho amplificador mecánico (2), caracterizado porquefixing said ultrasonic atomizer in a housing (5) by means of a fixing flange (6) provided with conduits for the gas (10), said housing (5) not being in contact with said mechanical amplifier (2), characterized in that
- \bullet?
- se provoca un flujo de gas alrededor de dicho atomizador ultrasónico dirigido hacia una serie de orificios que se encuentran en la superficie de dicha superficie de atomización (4), y a gas flow is caused around said ultrasonic atomizer directed towards a series of holes found on the surface of said surface atomization (4), and
- \bullet?
- se atomiza el líquido sobre dicha superficie de atomización (4). the liquid is atomized on said atomization surface (4).
gas.5. A liquid atomization device, comprising an ultrasonic atomizer operating at a frequency below 400 kHz, said atomizer comprising a mechanical amplifier (2) having a free end constituting an atomization surface (4), and a liquid supply channel (7) that provides the liquid to said atomization surface (4), said device further comprising a fixing flange (6), said ultrasonic atomizer being confined in a housing (5), said housing not being in contact with said mechanical amplifier (2), characterized in that said fixing flange (6) comprises conduits for the gas (10) and said atomization surface (4) comprises a series of holes through which the
gas.
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