DE2741996A1

DE2741996A1 - Verfahren und vorrichtung zum zerstaeuben von fluessigkeitsstrahlen oder -tropfen

Info

Publication number: DE2741996A1
Application number: DE19772741996
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl Ing Proelss
Original assignee: Stettner and Co
Current assignee: Stettner and Co
Priority date: 1977-09-17
Filing date: 1977-09-17
Publication date: 1979-03-22
Also published as: DE2741996B2; DE2741996C3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum
Zerstäuben von Flüssigkeitsstrahlen oder -Tropfen unter Verwendung eines Schallerzeigers und eines Schallwandlers, sowie eine Vorric11tuny zur ausübung dieses Verfahrens.
Fin derartiger Verfahren und eine Vorrichtung hierzu ist aus der Druckschrift "Erfindungen und Pa teiote 1977" der Deutschen Forschungs- und Versuchsanstalt für Luft- und Raumfahrt, Seite 11 und der dort beschriebenen DT-AS 1 5!l2 093 bekannt. Gemäß diesen Literaturstellen wird ein Flüssigkeitsstrahl dadurch in kleine Tröpfchen genau gleicher Große zerlegt, daß dieser durch eine Schallquelle periodisch gestört wird. Dabei mun anschließend an die Schallquelle ein sich zu einer Öffnung hin verjüngender, trichterförmiger Schallwandler vorgesehen sein, in dem sich stehende Wellen ausbilden. Im Schwingungsknoten dieser stehenden Wellen ist ein die Flüssiglceit führendes Rohr eingeführt, das sich axial zur Öffnung hin erstreckt und dort als Glattstrahl düse endet.
Bei zu großer Schallintensitnt können die gleichförmigen Tropfen durch Kavitation zerstört werden. Die Schwingungsrichtung der stehenden Welle liegt hier in Richtung des Fliissigkeitsstrahls an der Öffnung des Schallwandlers. Die Erregerfrequenz kann hierbei zwischen 200 bis 30.000 liz betragen, was einer Tropfenfolge von 200 bis 30.000 Tropfen/sec. entspricht. Die Größe der Teilchen beträgt hierbei zwischen 2.000 itnd 100 um.
Mit der vorliegenden Erfindung soll u.a. die Aufgabe gelöst werden, sehr kleine Tropfen, vorzugsweise kleiner als 5 µm zu erhalten. Zusätzlich soll die Möglichkeit bestehen. mit geringer Energie in kurzer eit große Mengen i' Flüssigkeit zerstäuben zu können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der oder die Flüssigkeitsstrahl(en) und/oder -Tropfen durch einen Strömungskanal bewegt werden und der Schallerzeuger und/oder der Schallwandler ein ebenes, zur ehenen Ausdehnung relativ dünnes Schall feld erzeugt, das zurn Strömoingskanal zumindest annähernd senkrecht verläuft. Eine andere Lösungsmöglichketi der gestellten Aufgabe besteht darein, daß der oder die Fliissigkeitsstralll(en) und/oder -Tropfen durch einen Strömungskanal bewegt werden unj zumindest der Schallwandler derart im Strömungskanal angeordnet wird, daß wenigstens der überwiegende Teil der zu zerstäubenden Partikel auf den Schallwandler auftreffen und dieser mit einer Frequenz zu Schwingungen mit einer sochen Amplitude angereyt wird, daß die auftreffenden Partikel zerstäubt werden.
Durch diese Maßnahmen wird erreicht, daß die Flüssigkeitsstrahlen oder Tropfen heim Durchstromen des Schallfeldes weitgehend zerstäubt werden. Besonders zweckmäßig ist es, eine vorherige Grobzerstäubung vorzunehmen, sodaß eine möglichst gleichmäßige Verteilung von Flüssigkeitstropfen im Gasstrom vorhenden ist. Hierdurch wird die Zerstäubung in kleinste Partikel beschleunigt, sodaß sehr große Flüssigkeitsmengen pro Zeiteinheit zu kleinsten Partikeln zerstäubt werden können. Gegebenenfalls können beide Verfahren gleichzeitig angewendet werden, wobei z.B. das eine der beiden eine Grobzerstäubung und das andere nachfolgend angewandete Verfahren eine Feinzerstäubung bewirken kann.
Bei Anwendung des Vergaserprinzipes für die Grobzer=täubung wird ein Feinzerstäubung mit sehr geringem Energieaufwand möglich.
Weitere vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung sind nachfolgend anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Zerstäubungsvorrichtung von der Seite im Schnitt, Fig. 2 eine solche mit einer vorgeschalteten Grobzerstäubung z.B. bei einem Vergaser für Verbrennungsmotore, Fig. 3 einen erfindungsgemäßen Schallerzeuger mit einem mit diesem verbundenen Schallwandler wie er in Fig. 2 gezeigt ist, in einer Draufsicht und Fig. 4 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung, mit einem quer im Strömungsweg liegenden Schallerzeuger.
Mit 1 ist ein Gehäuse bezeichllet, in dem ein Strömungskanal 2 z.B. mit durchgehend konstantem Querschnitt vorgesehen ist. Von der Einströmungsöffnung 3 her können ein oder mehrere Flüssigkeitsstrehlen oder Flüssigkeitstropfen 4 beispielsweise aus einem Lochsicb 5 oder einer oder mehreren Diisen in den Strömungskanal 2 eintreten.
In Abstand von der Einströmungsöffnung 3 ist eiii als Radialschwinger ausgebildet Schallerzeuger 6 vorgesehen, dessen lichte Weite vorzugsweise wenigstens genauso grooi ist wie die des Strömungslcanals 5 und diesem zweckmäßig im Querschnitt angepaßt ist. Vorteilhaft besteht der Schallerzeuger 6 aus einem Ring aus piezoelektrischem Material, z.B. aus Bleizirkonat-Titanat. Er ist bei aus Metall bestehendem Gehäuse 1 von diesem durch eine elektrische Isolation 7 getrennt. Die Befestigung kann durch einen Flansch 8 erfolgen. der mit dem Gehäuse verschraubber oder in sonst geeigneter Weise arretierbar ist.
Der Schallerzeuger 6 ist an eine Spannungsquelle 9 angeschlossen, die eine Spannung mit einer Frequenz von 100 kHz bis 10 MHz, vorzugsweise 1 bis 3 Mllz. abgibt. 41s Folge der angelegten Spannung entsteht innerhalb der durch den Ring gebildeten Fläche, deren Dicke etwa der Ringlänge entspricht, ein zumindest nahezu senkrecht zur Strömungsrichtung liegendes Schallfeld.
In diesen kann die Flüssigkeit bzw. die Flüssigkeitspartikel zu kleinsten Tropfen bis zur Nebel bildung zerstäubt werden.
wenn die Schallenergie entsprechend bemessen wird. Dies wird insbesondere dann erreicht, wenn die Geschwindigkeit, mit der die Gasmoleküle im Schall feld zu Schwingungen angeregt werden, gleich oder vorzugsweise größer ist als die Schaligeschwindigkeit in dem betreffenden Gas, bei Luft also 2 330 m/sec. bei Normalbedingungen. Bei Anwendung geringer Energie wird dies erfindungsgemäß mittels eines Schallwandlers erreicht, wie z.B. in den Fig. 2 und 3 dargestellt.
Die Fig. 2 zeigt die Anwendung der Erfindung bei einem Vcrgases für Verbrennungsmotoren, also z.B. für die Zerstäubung von Benzin. Um hierbei mit sehr geringer Energie zur Feinstzerstäubung auszukommen, wird das Benzin zunächst grob zerstäubt, z.B. mittels der bisherigen Art der Anwendung von Unterdruck und Anordnung der Diise in einem Staurohr. Durch die Feinstzerstäubung des Kraftstoffes für Verbrennunsmotoren wird die Verbrennung wesentlich verbessert und damit der Ausstoß giftiger Abgase, wie Kohlenmonoxid und Stickstoffoxide, vermindert und der Wirkungsgrad erhöht.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist das Gehäuse 1 das Vergasergehäuse. Im Strömungskanal 2 ist in einer Verengung 10 ein Staurohr 11 vorgesehen, in dessen engste Stelle eine Düse 12 mündet. Durch die Düse 12 kann eine Flüssigkeit, hier Kraftstoff, angesaugt werden, wenn der Strömungskanal 2 von einem Gasstrom durchströmt wird. Unterhalb der Verengung 10 ist der Strömungskanal 2 unter Bildung eines Ansatzes 13 erweitert.
Von der Auslaßöffnung 1 her ist der Schallerzeuger 6 unter Zwischenlage der elektrischen Isolation 7 eingesetzt. Er wird von einem Stellring 15 in seiner Lage fixiert, der von unten einschraubbar und gegebenenfalls mit einem Konterring und/ oder z.B. einschiebbar und mittels Nadenschrauben 16 arretierbar ist.
Mit dem Schallerzeuger 6 ist ein Schallwandler 17 gekoppelt.
Dieser besteht beim Ausfiihrungsbeispiel aus einem Ring, dessen Außenwand zweckmäßig dieselbe Abmessung besitzt wie die Innenwand des Schallerzeugers 6 und mit dieser fest verbunden ist und der nach innen zu im Querschnitt abnimmt. Durch den Schallwandler 17 wird ein im Vergleich zu seinem Durchmesser dünnes Schallfeld sehr hoher Energiedichte erzeugt, das eine Vernebelung der Kraftstofftröpfchen bewirkt.
Der Durchmesser des Schall feldes und damit die lichte Weite des Schallwandlers 17, bzw. eines Schallerzeugers 6 ist derjenigen des Strömungskanals 2 angepaßt. Vorzugsweise ist er jedoch mindestens genauso groß. Zweckmäßig erfolgt die Anordnung des Schall erzeugers 6 und/oder des Schal lwandl ers 17 derart, daß sich im Strtimungslcana1 aerodynamisch günstige Strtimungslinien ergeben.
Dei dem in Fig. 11 dargestellten Ausführungsbeispiel ist im Zuge des Strömungskanals 2 eine Querschnittserweiterung 18 vorgesehen, in deren Bereich, vorzugsweise an der Stelle des größten Querschnitts, ein ring- oder plattenförmiger Schallerzeuger 6 angeordnet ist, dessen Fläche wenigsten- anschere senkrecht zum Strömungskanal 2 verläuft. Zweckmäßig ist der Schallerzeuger 6 zentrisch im Strömungskanal 2 bzw. der Erweiterung 18 angeordnet und seine Fläche ist kleiner als der Querschnitt der Erweiterllng 1E, jedoch vorteilhaft nur wenig kleiner, oder etwa genanse groß, oder vorzugsweise größer als der Querschnitt der Strömungskanals 2 vor der Erweiterung 18.
Hierdurch soll erreicht werden, daß möglichst viele zu zer.
staubende Pnrtikel auf die Oberflnche des Schallerzeugers 6, oder dem mit diesem gekoppelten oder verbundenen, dem Gasstrom zugewandten Schallwandler 17 auftreffen. Durch die Berührung mit dieser mit einer Frequenz von zweckmäßig über 100 kllz, insbesondere ca. 2 MHz, in Richtung des Strömungskanals 2 schwingenden Oberfläche des Schallerzeugers 6 bzw. des Schallwandlers 17, tritt bei entsprechender Aufprall- und/oder Schwingungsenergie die Zerstäubung der Partikel 4 ein.
Die der Strömungsrichtung entgegengerichtete Oberfläche 19 des Schallwandlers 17 besitzt die Form eines flachen Kegelstupfes, oder einer flachen n-cckigen Pyramide. Der Schallerzeuger 6 ist als Dickenschwinger ausgebildet und besteht vorteilhaft aus Piezokeramik. Der Schallwandler 17 kann aus Aluminium bestehen und bildet mit dem Schallerzeuger 6 eine bauliche Einheit. Das Ganze ist auf einer Trägerplatte 20 montiert, die mittels Ströben 21 im Strömungskanal 2 fixiert ist.
Zwischen Schallerzeuger 6 und Trägerplatte 20 kann, fallforderlich, eine elektrische Isolatien 7 vorgesehen sein.

Claims

Verfahren und Vorrichtung zum Zerstäubern von Flüssigkeitsstrahlen oder - Tropfen.

Patentansprüche: Verfahren zum Zerstäuben von Flüssigkeitsstrahlen oder -Tropfen unter Verwendung eines Schallerzeugers und eines Schallwandlers, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Flüssigkeitsstrahl(en) (4) und,/oder -Tropfen (4) durch einen Stremiingskanal (2) bewegt werden und der Schallerzeuger (6) und/ oder der Schallwandler (17) ein ebenes zur ebenen Ausdehnung relativ diinnes Schallfeld erzeugt, das zum Strömungskanal (2) zumindest annähernd senkrecht verläuft.
2. Verfahren zum Zerstäuben von Flüssigkeitsstrahlen oder -Tropfen unter Verwendung eines Schallerzeugers und eines Schallwandlers, gegebenenfalls unter gleichzeitiger Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Flüssigkeitsstrahl( an) (lot) und/oder -Tropfen (4) durch einen Strömungskanal (2) bewegt werden und zumindest der Schallwandler (17) derart im Strömungskanal (2) angeordnet wird, daß wenigstens der überwiegellde Teil der zu zerstübenden Partikel au den Schalwandler (17) auftreffen und dieser mit einer Frequenz zu Schwingungen mit einer solchen Aml,litllde angeregt wird, daß die auftreffenden Partikel zerstäubt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsstrahlen und/oder -Tropfen (4) durch ein Gas strömen oder durch dieses bewegt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schallfeld die Gaspartikel des Gasstroms auf eine Geschwindigkeit beschleunigt, die größer ist als die Schallgeschwindigkeit im Gas oder Gasgemisch des Gasstroms beträgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallerzeuger (6) mit einer Frequenz von größer als 100 kllz, insbesondere bei 2 MHz, betrieben wird und der Schallwandler (17) die Umwandlung in Überschallgeschwindigkeit bewirkt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Schallerzeuger (6) ein in der Mitte mit einer Öffnung versehener Radialschwinger verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Flüssigkeit zuerst in einem Gasstrom grob zerstäubert wird und anschließend der mit den grob zerstäubten Flüssigkeitspartikeln angereicherte Gasstrom das Schellfeld duchströme und in diesem die Flüssigkeitspartikeln sein zerstäubt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, für die Grobzerstäubung das Vergeserprinzip angeordnet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Gas Luft und als Flüssigkeit ein Brennstoff verwendet wird.
10. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz das Schallerzeuge (6) und/oder des Schallwandlers (17) so gewählt sind, daß die Flüssigkeit zu Tröpfehen # 10 µm zerstäubt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 2 oder der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallwandler (17) zu Schwingungen angeregt wird, die wenigstens annähernd die Richtung des Strömungskanals (2) aufweisen.
12. Verfahren nach Anspruch 2 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Schallerzeuger (6) ein senkrecht im Strömungskanal (2) vorzugsweise Dickenschwinger verwendet wird.
13. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach zumindest einem des Ansprüche 1 oder 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Strömungskanal (2) für einen Gasstrom besitzt, in dem ein Schllerzeuger (6) derart angeordnet ist, daß das durch ihn erzeugte Schallfeld im wesentlichen senkrecht zum Strömungskanal (2) verläuft.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Strömungskanal (2) für einen Gasstrom besitzt, in den hintereinander in Strömungsrichtung eine Verengung (in) vorgesehen ist, in deren Bereich die Öffnung einer Düse (12) ujindei und nach der Verengung (10) ein Schallerzeuger (6) angeordnet ist, der ein Schallfeld erzeugen kann, das im wesentlichen senkrecht zum Strömungskanal (2) verlauft.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallerzeuger (6) ein ringförmiger Radialschwinger ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallerzeuger (6) aus Piezokeramik besteht.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Radialschwinger (6) eine lichte Weite besitzt, die mindestens derjenigen des Strömungskanals (2) entspricht.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die dichte Seiter des Schallerzeugers (6) größer ist, als die geringe des Strömungskanals (2) und in der Innenwand des Schallerzeugers (6) ein Schallwandler (17) angebracht ist, dessen dichte Weite zumindest derjenigen des Strömungskanals (2) entspricht.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß Schallerzeuger (6) und Schallwandler (17) als ineinandergestechte Ringe ausgebildet und diese fest miteinander verbunden sind.
20. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallwandler (17) einen von außen nach innen sich verjüngenden Querschnitt besitzt.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallerzeuger (6) und/oder der Schallwandler (17) von einer Seite aus iii den Strömungskanal (2) einsetzbar ist und der Strömungskanal (2) hierzu eine lichte Weite besitzt, die dem Außendurchmesser des Sohallerzeugers bzw. Schallwandlers angepaßt ist und daß der Übergang zum Sollquerschnitt des Strömungskanals (2) als Anschlag (13) für den Schallerzeuger (6) dient.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß zur Befestigung des Schallerzeugers (6) und/oder des Schallwandlers (17) ein Stellring (15) dient.
23. Vorrichtuny noch Anspruch 2', dadurch gekennzeichnet. daß der Stellring (15) einschraubbar und mittels eines Konterringes arretierbar ist.
24. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellring (t5) einchraubbar oder einsteckbar und mittels von außen ei indrehbarereMadenschrauben (16) arretierbar ist.
25. Vorrichtung zur Ausiibung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 2, ii oder 12, gegebenenfalls kombiniert mit den Merkmalen nach einem der Ansprüche 14 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Strömungskanal (2! für einen Gasstrom besitzt, in dem ein scheiben- oder plattenförmiger Schallerzeuger (6) derart angeordnet ist, daß die eine Flache unmittelbar vom Gasstrom getroffen wird und daß die durch ihn erzeugten Schallwellen im wesentlichen in Richtung des Strömungskanals (2) verlaufen.
26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallerzeuger (6) ein Dickenschwinger ist.
27. Vorrichtung nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallerzeuger (6) aus Piezokeramik besteht.
28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallerzeuger (6) im Strömungskanal (2) zentrisch angeordnet ist und seine Fläche kleiner ist als der Querschnitt des Strömungskanals an dieser Stelle.
29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskanal (2) in dem Bereich, in den der Schallerzeuger (6) angeordnet ist, erweitet ist.
30. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskanal (2) nach der Erweiterung wieder verengt ist.
31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß auf der der Strömungsrichtung entgegengerichteten Seite des Schallerzeuger (6) einnmit diesem gekoppelter oder verbundener Schallwändler (17) vorgesehen ist.
32. Vorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die der Strömungsrichtung entgegengerichtete Oberfläche des Schallwandlers (t7) die Form eines flachen Kegelstumpfes bzw. einer flachen n-eckigen Pyramide bildet.
33. Anwendung des bzw. der Verfahren(s) nach einem der Anspriiche 1 bis 12 und/oder der Vorrichtung nach einem der Anspriiche 13 bis 32 fir Vergaser von Verbrennungsmotoren.