DE2850116C2 - Aufladungsvorrichtung zum elektrostatischen Zerstäuben einer Flüssigkeit mit einer Kammer, in der sich eine erste und eine zweite Hochspannungs-Elektrode befinden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Aufladungsvorrichtung zum elektrostatischen Zerstäuben einer Flüssigkeit mit einer Kammer, in der sich eine erste und eine zweite Hochspannungs-Elektrode befinden.

Aus der US-PS 3 269 446 ist eine derartige Vorrichtung bekannt, bei der ein Brenneröl oder ein anderer flüssiger Brennstoff einem Flüssigkeitsausstoßkopf zugeführt wird. Der Kopf besitzt ein Gehäuse, das im Inneren eine Kammer aufweist, in die das Öl oder der Brennstoff einströmt. Ferner hat die Kammer einen ring­ förmigen Auslaßschlitz, aus dem das Öl austritt und auf der Kegelmantelfläche einer Schirmelektrode abwärts fließt. Dabei nimmt es elektrostatische Ladung von der Elektrode auf. Das so geladene Öl tropft vom Rand der Schirmelektrode nach unten und wird in Richtung der zweiten Elektrode beschleunigt. Die auf der Schirmelektrode erfolgende elektrische Aufladung ist eine Kon­ taktaufladung. Wenn das über die Schirmelektrode fließende Öl eine hohe Leitfähigkeit hat, nimmt es verhältnismäßig viel La­ dung auf. Im anderen Fall wird nur wenig Ladung aufgenommen. Dies kann so wenig sein, daß durch Ladungsabstoß keine hinrei­ chende Zerstäubung erfolgt.

Aus der FR-PS 1 223 451 ist eine Vorrichtung zum Zerstäuben von Flüssigkeiten oder Pulvern bekannt, bei der der zu zerstäubende Stoff aus einer Düse ausgestoßen wird und dabei durch eine die Düse umgebende erste Elektrode tritt. Der Sprühkegel wird von dem Mantel eines zylindrischen Isoliergehäuses schützend umge­ ben, das in der Nähe seines freien Randes eine zweite Elektrode trägt (Fig. 4). In einer besonderen Ausführungsform (Fig. 6) weitet sich das Isoliergehäuse glockenförmig auf und trägt am Außenrand eine axial nach außen gerichtete Hilfselektrode. In jedem Fall tritt der zu zerstäubende Stoff durch die erste Elek­ trode und wird erst dann im freien Raum einem elektrischen Feld ausgesetzt, das zwischen der ersten und zweiten Elektrode einge­ richtet ist.

Es ist demgegenüber Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum wirksamen Zerstäuben von schlecht leitenden oder isolierenden Flüssigkeiten zu schaffen, die besser als die bekannten Vorrich­ tungen arbeitet.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale des Patentanspruchs 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der bei liegenden Zeich­ nungen weiter erläutert.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausfüh­ rungsform der erfindungsgemäßen elektrostatischen Zerstäubungsvorrichtung.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt der in Fig. 1 dargestellten elektrostatischen Zerstäubungsvorrichtung.

Fig. 3 zeigt einen perspektivischen Teilschnitt der elektro­ statischen Zerstäubungsvorrichtung in Verbindung mit einer Brennervorrichtung.

Fig. 4 zeigt einen teilweisen Seitenschnitt einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrostati­ schen Zerstäubungsvorrichtung.

Fig. 5 stellt eine Querschnitt-Seitenansicht einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrostati­ schen Zerstäubungsvorrichtung dar.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrostatischen Zerstäubungsvorrichtung 10, die aus einem zylinderförmigen, nicht leitenden Gehäuse (oder einer Zelle) 12, z. B. aus Lucite®, einem Polymethacrylester-Kunstharz, mit einer Grundplatte 14, einer sich aufwärts erstreckenden zylindrischen Seitenwand 16, durch die eine Gewindebohrung 21 geht, einem Oberteil 22, durch den eine Gewindebohrung 20 und eine Gewindebohrung 24 gehen, sowie einer in dem Gehäuse befindlichen Kammer 26, besteht, wobei die Grundplatte 14 eine zentrale Auslaßöffnung 28 enthält. Das Gewindeende 30 einer ersten zylindrischen Versorgungsleitung 32 für das flüssige Medium wird an der der Auslaßöffnung 28 gegenüberliegenden Seite über ein Gewinde in der Bohrung 24 aufgenommen, aus der die Leitung 32 sich geradlinig nach außen aus dem Oberteil 22 des Gehäuses 12 erstreckt. Das andere Ge­ windeende 34 der Leitung 32 ist geeignet für eine Verbindung mit einem (im Bild nicht gezeigten) Vorratsbehälter für das flüssige Medium, wobei die Flüssigkeit durch Leitung 32 in die Kammer 26 fließt und wobei die Flüssigkeit eine Leitfähigkeit von weniger als etwa 10⁴ S/m, vorzugsweise weniger als etwa 14^-4 S/m und ganz besonders bevorzugt weniger als 10^-10 S/m aufweist. Die Flüssigkeit kann z. B. aus einem Heizöl der Güte­ stufe Nr. 2 bestehen.

Ein erstes nicht leitendes zylindrisches Rohr 42 mit einem Außengewinde bei 18 und einer kontinuierlichen Bohrung ist über eine Gewindebohrung 20 angebracht, wobei sich das eine Ende 46 des Rohres 42 nach außen durch die Wand des Oberteils 22 aus dem Gehäuse 12 und das andere Ende 48 des Rohres 42 sich nach innen in den oberen Teil der Kammer 26 erstreckt, wobei es auf eine vorherbestimmte Länge begrenzt ist. Eine erste Elektrode 38 oder eine Reihe von ersten Elektroden 38 sind in Parallel- oder Reihenparallelschaltungen mit dem Ende 48 des Rohres 42 durch geeignete Mittel, z. B. ein Klebemittel, ver­ bunden, wobei das Ende 48 des Rohres 42 auch in die Elektrode 38 eingebettet sein kann. Die Elektrode 38 weist eine borsten­ artige Oberfläche 50 auf, die aus einer Vielzahl von Stiften 51 gebildet wird, die im wesentlichen parallel im Inneren der Kammer 26 ausgerichtet sind. Unter einer borstenartigen Ober­ fläche wird hierbei eine solche Fläche verstanden, die eine Vielzahl von im wesentlichen parallelen, ähnlichen, fortlau­ fenden Stiften aufweist, die eine Querabmessung in der Größen­ ordnung von 10 µm, vorzugsweise von 1 µm, besonders bevorzugt von 0,1 µm oder weniger in einer Grundmasse aus nicht leiten­ dem oder halbleitendem Material haben. Jeder Stift ist in einem regulären oder annähernd regulären Muster angeordnet mit einer mittleren Entfernung in der Größenordnung von etwa 35 µm oder weniger. Beispiel für eine geeignete Elektrode 38, aber nicht darauf beschränkt, ist eine eutektische Mischung aus Uranoxid und Wolframfasern, wie sie im Journal of Crystal Growth 13/14, 765, 771 (1972) von A.T. Chapman und R.J. Geides beschrieben wird.

Die erste Elektrode 38 ist mit einer Hochspannungsquelle 40, die sich außerhalb des Gehäuses 12 befindet, über eine elektri­ sche Anschlußleitung 52, die sich durch die Bohrung 44 des Rohres 42 erstreckt, in Reihe geschaltet. Die Hochspannungs­ quelle 40 ist über eine Erdleitung 76 mit Erde 78 außerhalb der Vorrichtung 10 verbunden. Ein zweites nicht lei­ tendes, z. B. aus Lucite® bestehendes, zylindrisches Rohr 56 mit durchgehender Bohrung 58 ist in die Gewindeöffnung 21 eingeschraubt, wobei sich das eine Ende 60 des Rohres 56 nach außen aus dem Gehäuse 12 heraus und das andere Ende 62 des Rohres 56 nach innen in den unteren Teil der Kammer 26 erstrecken. Eine flüssigkeitsdichte Abdich­ tung wird zwischen dem Rohr 56 und der Seitenwand 16 durch Klebemittel oder andere Abdichtungsmittel 54 gebildet. Eine zweite Elektrode 64 oder eine Reihe von zweiten Elektroden 64 sind in Parallel- oder in Reihenparallelschaltungen mit dem Ende 62 des Rohres 56 durch geeignete Mittel, z. B. Klebemittel, verbunden. Das Ende 62 des Rohres 56 kann auch in die Elektrode 64 eingebettet sein. Die zweite Elektrode 64 besteht aus einer ebenen Scheibe 66, die wenigstens eine zentrale, longitudinal auf die Achse der Scheibe 66 ausgerichtete Öffnung 68 und ge­ gebenenfalls eine Vielzahl von anderen longitudinal ausgerich­ teten Öffnungen 70 in vorbestimmten Entfernungen von der zen­ tralen Öffnung 68 aufweist. Alternativ kann eine Vielzahl von longitudinal ausgerichteten Öffnungen in symmetrischer Anord­ nung im Hinblick auf die Mittelachse ohne eine Öffnung in der Mittelachse verwendet werden. Die Öffnungen können auch schräg zur Mittelachse angebracht sein. Die zweite Elektrode 64 ist quer innerhalb der Kammer 26 unter und im Abstand von der ersten Elektrode 38 angeordnet.

Die Elektrode 38 kann in Längsrichtung auf- und abwärts bewegt werden relativ zur Scheibe 66, wodurch der Zwischenraum zwischen den Elektroden 38 und 64 verkleinert oder vergrößert und ebenfalls der Ladungsstrom innerhalb der Flüssigkeit modifiziert werden kann.

Die zweite Elektrode 64 besteht vorzugsweise aus Platin, Nickel oder rostfreiem Stahl und ist mit einem Hochspannungswiderstandselement 72 außerhalb des Gehäuses 12 über eine elektrische Anschlußleitung 74, die sich durch das Rohr 56 erstreckt, in Serie geschaltet. Das Wider­ standselement 72 ist an seinem entgegengesetzten Ende mit dem Erdungspunkt 80 der Hochspannungsquelle 40 verbunden. Eine äußere ringförmige Elektrode 82 (z. B. aus rostfreiem Stahl) kann an die äußere Grundfläche 84 der Bodenplatte 14 durch Kle­ bemittel oder durch eine Vielzahl von Verankerungselementen 86, die sich aufwärts durch die Elektrode 82 erstrecken und in der Grundplatte 14 eingebettet sind, angehängt werden. Die zentrale Öffnung 88 der Elektrode 82 und die Auslaßöffnung 28 fluchten miteinander, wobei die Öffnung 28 beispiels­ weise einen Durchmesser von weniger als 2 cm, vorzugsweise von weniger als etwa 1 cm, insbesondere von weniger als 6 mm aufweist, und der Durchmesser der zentralen Öffnung 88 weniger als 1 mm, vorzugsweise weniger als 600 µm, und insbesondere weniger als 200 µm beträgt. In dieser Stellung unterstützt die Elektrode 82 das Zerstäuben infolge der Entwicklung des elektrostatischen Feldes, die Einstellung der Elektrode 82 ist jedoch nicht kritisch für das Verfahren, solange sie außerhalb des Gehäuses 12 angeordnet ist. Die Elektrode 82 ist mit einem zweiten Erdungspunkt 90 verbunden, der zwischen der Erde 78 und dem ersten elektrischen Erdungspunkt 80 liegt. Die erste Elektrode 38 ist negativ aufgeladen, wogegen die zweite Elektrode 64 ein bezüglich der ersten Elektrode 38 relativ positives Potential und die Außen­ elektrode 82 Erdpotential aufweisen. In einer anderen Arbeitsweise ist die erste Elektrode 38 negativ aufgeladen, und die zweite Elektrode 62 und die Außenelektrode 82 sind relativ dazu positiv aufge­ laden. Die Hochspannungsquelle 40 kann eine Gleichspannungs-, eine Wechselspannungs- oder eine Impulsspannungsquelle beider Polaritäten sein, wobei die Quelle etwa 100 V bis etwa 100 kV, vorzugsweise etwa 100 V bis etwa 50 kV Gleichspannung, besonders bevorzugt etwa 100 V bis etwa 30 kV Gleichspannung besitzt. Die in die Flüssigkeit 36 in der Kammer 26 induzierte Ladung ergibt sich aus dem Ladungsstrom von der ersten Elektrode 38 zur zweiten Elektrode 64. Die Flüssigkeit innerhalb der Kammer 26 strömt gegen die Auslaßöffnung 28 der Grundplatte 14, wobei die elektrische Ladung, die in die Flüssigkeit innerhalb der Kammer 26 induziert ist, genügend groß sein muß, damit eine freie Überschußladung in der Flüssigkeit innerhalb der Kammer 26 vor­ liegt, wobei die Ladung sowohl positiv als auch negativ sein kann. Die Flüssigkeit wird nach außen in Form eines Sprays emittiert (in Form einer Vielzahl von Tröpfchen 92), wobei die Außenelektrode 82 die Beschleunigung der aufgeladenen Tröpfchen 92 noch vergrößert.

In Fig. 3 ist die elektrostatische Zerstäubungsvorrichtung 10 in der Kammer 134 einer zylindrischen Brennervorrichtung 136 dargestellt, mit einem offenen Ende 138, einer zylindri­ schen Seitenwand 140 und einem Oberteil 142, wobei sich die Leitung 32 durch das Oberteil 142 hindurch erstreckt und die zerstäubten Tröpfchen innerhalb der Kammer 134 mit Luft ge­ mischt und anschließend in der Verbrennungszone der Kammer 134 mit Hilfe eines geeigneten Entzündungsmittels 135, z. B. einer Zündkerze, entzündet werden können. Luft wird in die Kammer 134 durch Standardgebläse oder Kompressoren eingeführt. Die Seitenwand 140 kann auch eine Vielzahl von Lufteinlaßöffnungen 13 für eine ergänzende Luftzufuhr in die Kammer 134 aufweisen.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der elektrostatischen Aufladungsvorrichtung 10, wobei der Unter­ schied zur ersten Ausführungsform in der Konstruktion und Po­ sitionierung der ersten Elektrode 38 und der zweiten Elektrode 64 innerhalb der Kammer 26 besteht. Die erste Elektrode 38 be­ steht aus einem zylindrischen Teil 204 mit einer sich longitu­ dinal erstreckenden Bohrung 206; das Teil 204 hat ein oberes Ende 208 und ein unteres Ende 210. Die Außenfläche 211 des Teils 204 wird von einer Vielzahl von scharfkantigen, in Längsrichtung sich erstrec­ kenden, dicht gefügten und geriffelten Rippen 212 gebildet. Die zweite Elektrode 64 ist ein langgestreckter zylindrischer Körper 216, der innerhalb der Bohrung 206 des Teils 204 an­ geordnet ist, indem sich das Rohr 56 geradlinig zu dem Ende 214 des Körpers 216 und aufwärts durch die flüssigkeitsdichte Öffnung 218 innerhalb des Oberteils 22 der Vorrichtung 10 erstreckt. Der Teil 204 kann aus einer Vielzahl von Rasierklingen gebildet werden, die zu einem aufrecht stehenden, konzentrisch angeordneten Stapel aneinander gefügt sind und mittels Klebstoff unter­ einander in der gewünschten zylindrischen Gestalt befestigt wer den. Die äußere zylindrische Seitenwand 220 des Teils 204 ist durch Klebemittel 222 auf der inneren zylindrischen Fläche der Seitenwand 16 des Gehäuses 12 befestigt (in Fig. 4 so nicht dargestellt) wodurch erreicht wird, daß die in der Kammer 26 befindliche Flüssigkeit durch das ring­ förmige Loch 224, das durch die Bohrung 206 und den Körper 216 bestimmt wird, abwärts fließt. Der Ladungsstrom zwischen den Elektroden 38 und 64 fließt senkrecht zu dem Konvektionsstrom der Flüssigkeit innerhalb des ringförmigen Loches 224.

Die Fig. 5 zeigt eine dritte Ausführungsform der elektrostatischen Aufladungsvorrichtung 10, wobei der Un­ terschied gegenüber der ersten Ausführungsform der Vorrichtung 10 in der Positionierung und Konstruktion der ersten Elektrode 38 und der zweiten Elektrode 64 innerhalb der Kammer 26 besteht. Die erste Elektrode 38 besteht aus einem verlängerten Stab 223 mit einem konisch gespitzten Ende 221, wobei sich der Stab 223 quer, durch die Seitenwand 16 des Gehäuses 12 erstreckt. Das Rohr 46 ist mit der Elektrode 64 verbunden und erstreckt sich durch eine Öffnung 230 in der Seitenwand 16 des Gehäuses 12 und ist darin mittels Klebemitteln oder über Gewinde befestigt, wobei die stumpfe Fläche 63 der Elektrode 64 in Längsrichtung innerhalb der Kammer 26 ausgerichtet ist. Der Stab 223 kann so bewegt werden, daß man die Öffnung zwischen der Fläche 221 der Elektrode 38 und Elektrode 64 innerhalb der Kammer 26 einregu­ lieren kann. Das Ende 221 der ersten Elektrode 38 ist innerhalb der Kammer 26 in Querrichtung gegenüber der Elektrode 64 ange­ ordnet. In Abhängigkeit von der Positionierung der ersten Elek­ trode 38 relativ zu der stationären zweiten Elektrode 64 inner­ halb der Kammer 26 kann die Entfernung zwischen den Elektroden 38 und 64 ebenso leicht wie der Durchdringungswinkel des Ladungs­ stromes innerhalb der Kammer 26 relativ zu dem Strom der Flüs­ sigkeit 36 variiert werden. Alternativ liegt es ebenfalls inner­ halb des Bereichs der Erfindung, daß man die zweite Elektrode 64 in Längsrichtung bewegbar machen kann.

Claims (4)

1. Elektrostatische Aufladungsvorrichtung zum elektrostatischen Zerstäuben einer Flüssigkeit, mit einer Leitfähigkeit kleiner 10⁴ S/m, mit:

• - einem Gehäuse (12), das eine Kammer (26) für zu zer­ stäubende Flüssigkeit aufweist, die einen Einlaß (24, 30, 32) zur Einleitung und eine Auslaßöffnung (28) zum Ausbringen von durch die Kammer (26) strömender Flüssigkeit aufweist;
• - einer ersten Hochspannungs-Elektrode (38), die in der Kammer (26) in Kontakt mit der darin befindlichen, unzerstäubten Flüs­ sigkeit steht und deren Oberfläche Spitzen oder scharfe Kanten zum Einleiten von freien Ladungsträgern in die Flüssigkeit besitzt;
• - mit einer zweiten Elektrode (64), die ebenfalls in der Kammer (26) in Kontakt mit der darin befindlichen unzerstäubten Flüs­ sigkeit steht und die von der ersten Elektrode (38) beabstandet ist und eine hohe Spannungsdifferenz zwischen ihr und der ersten Elektrode (38) aufweist, wobei die erste Elektrode (38) in bezug auf Erde auf einem höheren Potential als die zweite Elektrode (64) liegt; und mit
• - einer dritten Elektrode (82), die außerhalb des Gehäuses (12) hinter der Auslaßöffnung (28) angeordnet ist und die gegenüber der ersten und zweiten Elektrode (38, 64) auf Erdpotential liegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,, daß das Gehäuse (12) die Auslaßöffnung (28) eingeformt hat.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Oberfläche der ersten Elektrode (38) Borsten­ form hat.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Elektrode (82) ein leitender Ring ist, der die Auslaßöffnung (28) umgibt.