DE3522979A1 - Verfahren zur erzeugung elektrisch geladenen spruehnebels aus leitfaehigen fluessigkeiten - Google Patents

Description

DieErfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung elektrisch geladenen Sprühnebels aus leitfähigen Flüssig­ keiten.

Ein elektrostatisches Sprühverfahren für organische Pflan­ zenschutzformulierungen mit spezifischen Widerständen im Bereich von ρ = 10⁴ Ohm · m bis ρ = 10⁷ Ohm · m ist bekannt. Der elektrische Widerstand der zur Zeit am häufigsten eingesetzten wäßrigen Pflanzenschutzmittel liegt jedoch mit Werten von ρ <10² Ohm · m bedeutend niedriger. Wäßrige Formulierungen dieser Art müssen unter Zuführung mecha­ nischer Energie versprüht und durch zusätzliche besondere Vorkehrungen elektrisch aufgeladen werden. Dies kann z.B. dadurch geschehen, daß man die Sprühelemente, z.B. feine Düsen oder sehr schnell rotierende Scheiben unter Hoch­ spannung setzt. Die elektrischen Kräfte, die geladene Tröpfchen allseitig auf dem Zielobjekt, z.B. einer Pflanze zur Abscheidung bringen, sind aber nur dann hinreichend gut wirksam, wenn die Tröpfchen klein sind. So kann man beispielsweise Wassertröpfchen mit dem Durchmesser von 200 µm bei hoher Aufladung auf leitfähigen, geerdeten Gegenständen sehr wirksam abscheiden, wobei die elektrischen Kräfte, verglichen mit der Schwerkraft, stark dominieren.

Die günstigsten Aufladebedingungen für die Tropfen erhält man erfahrungsgemäß immer dann, wenn die Sprühelemente selbst an Hochspannung gelegt werden, wobei das Ladungs­ vorzeichen der entstehenden Tropfen gleichnamig ist mit dem Vorzeichen des Düsenpotentials, was zur Folge hat, daß die Tropfen von dem Sprühelement abgestoßen und von der Gegenelektrode angezogen werden.

Nachteilig ist dabei der Umstand, daß bei Verwendung leit­ fähiger Flüssigkeiten die Hochspannung des Sprühelementes über die Flüssigkeitssäule in der Zuführungsleitung auf den Vorratsbehälter für die Flüssigkeit übertragen wird. Handelt es sich um kleine Flüssigkeitsmengen, wie bei ein­ fachen Hand-Sprühgeräten, so kann der Vorratsbehälter unter geringem Aufwand hochspannungsmäßig isoliert werden. Für kleine Flüssigkeitsdurchsätze kann man auch den Vor­ ratsbehälter erden und als Verbindung zur Düse oder Sprüh­ scheibe eine sehr lange, dünne, isolierende Schlauch­ leitung verwenden, in der die Flüssigkeitssäule einen so hohen Widerstand annimmt, daß bei einer Düsenspannung von mehreren Kilovolt nur ein sehr schwacher Erdstrom von beispielsweise weniger als 1 mA über die Flüssigkeitssäule abfließt.

Die Verwendung feiner Düsen, z.B. mit dem Durchmesser von 100 µm, die zur Erzeugung monodisperser Tröpfchen sehr vor teilhaft sein können, ist auf Flüssigkeiten beschränkt, die keine Ablagerungen an der Kapillarwand erzeugen (z.B. Kalk aus Leitungswasser) und die nicht auskristallisieren (zu hohe Konzentrationen gelöster Wirkstoffe können Kristallausscheidungen verursachen), ferner auf Disper­ sionen, die nur Teilchen enthalten, die wesentlich kleiner sind als der Düsendurchmesser.

Bei Verwendung sehr schnell rotierender Elektroden sind Verunreinigungen der genannten Art wesentlich unkriti­ scher, jedoch ist dann der apparative Aufwand sehr hoch.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren zu entwickeln, das feine, elektrisch hoch geladene Tröpfchen leitfähiger Flüssigkeiten in größerer Menge produziert, das keine mechanisch schnell bewegten Elektroden und keine feinen Düsen erfordert und das vor allem so arbeitet, daß größere Behälter für die zu versprühende Flüssigkeit nicht unter Spannung stehen, so daß umständliche Maßnahmen zur Bewältigung der Iso­ lationsprobleme nicht erforderlich sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man die zu versprühende Flüssigkeit durch eine oder mehrere Düsen als in Tropfen zerfallende Strahlen austreten läßt und anschließend die aus den Tropfen gebildete Flüssigkeit einem elektrisch gegenüber den Düsen isolierten Sprüh­ system zuführt, wobei zwischen Düsen und Sprühsystem ein hohes elektrisches Feld angelegt wird.

Auf diese Weise ist es überraschend gelungen, durch Wasserstrahlen oder Strahlen anderer leitfähiger Flüssig­ keiten bis zu einer bestimmten Strahlstärke Flüssigkeits­ ströme über Entfernungen von wenigen Zentimetern von ge­ erdeten Düsen auf Elektroden, die unter hohem Potential stehen (z.B. 20 bis 40 kV) zu übertragen, ohne damit einen Funkenübergang zwischen Düse und Elektrode zu zünden oder stärkere Übergangsströme auszulösen. Bei Verwendung ein­ facher Glattstrahldüsen und relativ niedrigen Strömungs­ geschwindigkeiten löst sich der anfangs zusammenhängende Teil eines Flüssigkeitsstrahls in einem vorgegebenen Bereich der Austrittsgeschwindigkeit nach kurzer Lauf­ strecke in eine Tropfenreihe auf, die den Stromdurchgang unterbricht.

Es ist seit langer Zeit bekannt, daß die Tropfen eines Flüssigkeitsstrahls beim Aufprall auf eine harte Ober­ fläche in eine Vielzahl wesentlich kleinerer Tröpfchen zerschlagen werden. Unter Ausnutzung dieses Effektes können also mit Düsen, die infolge des natürlichen Zer­ falls eines Flüssigkeitsstrahls relativ große Tropfen abgeben, auch wesentlich kleinere Tropfen erzeugt werden. Mit der Möglichkeit, Flüssigkeitsstrahlen bestimmter Art auf hochspannungsführende Elektroden zu richten, ohne damit einen nennenswerten Stromfluß zu erzeugen, ergibt sich die weitere Möglichkeit, in geeigneten Elektrodenan­ ordnungen über den Pralleffekt auch mit relativ weiten Düsen kleine, hoch aufgeladene Tröpfchen zu erzeugen. Wegen der wesentlich größeren Betriebssicherheit sind natürlich weite Düsen den engen Kapillardüsen immer vorzuziehen. Die elektrische Aufladung der kleinen Tröpfchen erhält man unter der Bedingung, daß die Auf­ prallstelle der Primärtropfen eines Strahls in einem Gebiet liegt, in dem ein starkes elektrisches Feld auf­ rechterhalten wird. In diesem Feld, mit Feldrichtung senkrecht zur Prallfläche, nehmen die remittierten Tröpf­ chen eine Kontaktladung auf, die sich nach dem gleichen Prinzip wie beim Ladungsübergang von einer unter Spannung stehenden Düse auf die Tropfen des Strahls überträgt.

Nun ist aber das neue, hier beschriebene Prinzip mit dem großen Vorteil verbunden, daß die Düse und damit auch der Vorratsbehälter für die Flüssigkeit, wie angestrebt, auf Erdpotential bleiben können und nur eine einfache Prall­ elektrode, die man leicht isoliert befestigen kann, an Hochspannung gelegt werden muß.

Die zur Tropfenaufladung notwendige Feldstärke an der Prallstelle der unter Hochspannung stehenden Elektrode läßt sich auf verschiedene Weise bis zum maximal möglichen Wert erhöhen. Eine Möglichkeit besteht darin, daß man den Strahl auf eine gekrümmte Elektrodenfläche aufprallen läßt, indem man der Elektrode die Form einer Kugel oder eines Zylinders gibt.

Ein starkes Feld über der Prallstelle entsteht auch dann, wenn eine geerdete Feldelektrode über diese Stelle gesetzt wird. Diese Feldelektrode kann z.B. ein Hohlzylinder dar­ stellen, der den ersten Teil des aus der Düse austretenden Flüssigkeitsstrahls umschließt. Durch den kleineren Ab­ stand der Elektroden in Nähe der Prallstelle wird dort das Feld konzentriert.

Die elektrische Abschirmung des Strahls durch eine ihn umgebende zylindrische Elektrode, die an gleichem Potential liegt, hat außer der Erhöhung der Feldstärke noch eine fokussierende Wirkung auf den Strahl selbst. Während ohne diese Abschirmung auch die Primärtropfen des zerfallenden Strahls von der Düse durch Influenz eine Ladung aufnehmen und durch die gegenseitige Abstoßung auseinandergedrängt werden, wodurch der gezielte Aufprall verschlechtert wird, unterbleibt diese Aufladung in Gegen­ wart des Abschirmzylinders und der Aufschlag der Tropfen kann besser auf eine Stelle konzentriert werden.

Unter praktisch interessanten Betriebsbedingungen, d.h. bei Anwendung niedriger Flüssigkeitsdrücke von wenigen bar wird nur ein Teil der im Strahl zugeführten Flüssigkeit durch den Pralleffekt zerstäubt. Der Rest strömt über die Elektrodenoberfläche an die tiefste Stelle der Elektrode und tropft dort ab. Dieser nicht versprühte Flüssigkeits­ anteil ist relativ groß und kann beispielsweise 50% der Gesamtmenge betragen. Dieser Teil muß aufgefangen und über ein Pumpsystem wieder der Düse zugeführt werden. Da die Prallelektrode, von der die Flüssigkeit abläuft, unter Hochspannung steht, die Auffangelemente jedoch aus prak­ tischen Gründen an Erdpotential bleiben müssen, entsteht hier erneut das Problem des Flüssigkeitsüberganges zwi­ schen unter Spannung stehenden Elektroden. Da die Flüssig­ keit hier aber in drucklosem Zustand abläuft, kann eine Bündelung zu einem engen Strahl mit geringem Ladungs­ transport nicht vorgenommen werden. Vielmehr neigt die ab­ laufende Flüssigkeit dazu, sich an einer bestimmten Stelle zu sammeln und dann in dickeren Strähnen abzufließen. Dies führt sofort zum Funkenübergang und zum Kurzschluß.

Es wurde nun gefunden, daß durch Anwendung geeigneter Tropf-Elektroden die ablaufende Flüssigkeit so verteilt werden kann, daß sich keine zusammenhängenden Strähnen bilden und daß das Abtropfen an mehreren Stellen gleich­ zeitig erfolgt, wobei ferner durch den Einfluß elektri­ scher Kräfte ein Zerfall in kleinere Tropfen eintritt, die keine Kurzschlußbrücke bilden. Der Abstand zwischen Tropf- Elektrode und Auffangelement kann dadurch ebenfalls auf einige Zentimeter Distanz reduziert werden.

Das Abtropfen unter Spannung kann z.B. von einem gezahnten unteren Rand der Elektrode erfolgen, wobei die Entfernung von Zahnspitze zu Zahnspitze eine wesentliche Rolle spielt. Durch Verteilerelemente bekannter Art, z.B. Über­ laufrinne und Leitstreifen für die Flüssigkeit werden Teilströme den einzelnen Zähnen zugeführt. Hat die Prall­ elektrode z.B. eine zylindrische Form mit horizontaler Stellung der Zylinderachse, so wird als Abtropfelement an die unterste Mantellinie des Zylinders ein Zahnstreifen mit nach unten weisenden Zähnen gesetzt, wobei der Abstand von Spitze zu Spitze 5-10 mm, vorzugsweise 6 bis 8 mm be­ trägt. Entlang einer höher liegenden Mantellinie des Zy­ linders ist eine horizontal verlaufende Rinne in den Zy­ linderkörper eingefräst, an deren Rand Sollüberlaufstellen durch Kerben markiert sind.

Die Funktionsweise des Verfahrens wird anhand von Ausfüh­ rungsbeispielen nach Fig. 1 bis Fig. 5 erläutert.

Fig. 1 zeigt das Prinzip der Entstehung geladener Tropfen

Fig. 2 verdeutlicht den Tropfenweg zwischen Düse, Prall­ elektrode und Auffangelement,

Fig. 3 zeigt eine Elektrodenanordnung für mehrere Düsen

Fig. 4 stellt den Flüssigkeitsweg in der gesamten An­ ordnung dar und

Fig. 5 zeigt eine weitere nach dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren arbeitende Vorrichtung zum Versprühen größerer Flüssigkeitsmengen.

Nach Fig. 1 wird aus einer Glattstrahldüse 1 ein Flüssig­ keitsstrahl 2 ausgestoßen, wonach sich dieser Strahl auf natürliche Weise infolge der Oberflächenspannung in eine Tropfenreihe auflöst. Der Zerfall eines Flüssigkeits­ strahls in einzelne Tropfen wird immer dann beobachtet, wenn ein glatter Flüssigkeitsstrahl mit einer relativ niedrigen Strömungsgeschwindigkeit aus einer Düse aus­ tritt. Dieser seit langem bekannte Effekt wird als natür­ licher Strahlzerfall bezeichnet. Eine ausführliche Er­ läuterung findet sich z.B. in P.Schmidt und P. Walzel in Chem. Ing. Tech. 52 (1980) Nr. 4, Seite 304-311). Die so erzeugten Tropfen treffen auf die kugelförmige Prallelek­ trode 4, wo sie zerschlagen werden und als Tröpfchen­ schwarm 5 die Kugel wieder verlassen. Die Elektrode 4 ist mit einer Spannungsquelle 6 verbunden und erhält dadurch negatives Potential gegen Erde. Die Düse 1 ist geerdet. Bei dem hier angedeuteten Vorgang nehmen die Tropfen der Tropfenreihe 3 durch Influenz positive Kontaktladung auf und bewegen sich damit zur negativen Kugelelektrode. Die positive Tropfenladung wird beim ersten Kontakt mit der Kugel an diese abgegeben, die Flüssigkeit an der Kugel­ oberfläche wird negativ aufgelagen und behält diese Ladung auch nach dem Verlassen der Kugel in der Tröpfchenwolke. Die eingezeichneten Pfeile geben die Feldrichtung an der Kugeloberfläche an.

In Fig. 2 ist eine Glattstrahldüse 7 aus einer Reihe von Düsen mit der gemeinsamen Zuleitung 8 dargestellt. Der Ab­ schirmzylinder 9 umschließt die Düse und den ersten Teil des Flüssigkeitsstrahls bis zu der Stelle, an der der Zer­ fall in einzelne Tropfen bereits eingesetzt hat. Damit ist die Trennstelle, an der sich der erste Tropfen ablöst, feldfrei und es kommt nicht zur Aufladung des Tropfens. Im Mittelteil der Darstellung ist die zylindrische Prall­ elektrode im Schnitt gezeichnet. Diese Elektrode 10 ist über ein Hochspannungskabel 11 und die innere Anschluß­ stelle 12 mit einer hier nicht gezeigten Hochspannungs­ quelle verbunden. Die Aufprallstelle 13 für den Flüssig­ keitsstrahl ist aus der Mitte der Elektrode derart ver­ setzt, daß der erzeugte Tröpfchenschwarm seitlich, vor­ zugsweise in horizontaler Richtung ausgestoßen wird. Der nicht versprühte Flüssigkeitsanteil 15 verteilt sich in einer sich verbreiternden Schicht (unterstützt durch Verteilerelemente) über einen Teil der Zylinderoberfläche und erreicht schließlich den Zahnstreifen 16, von wo aus die Flüssigkeit an mehreren Stellen abtropft. Durch ein kräftiges elektrisches Feld in der Umgebung der Zahnspit­ zen werden die Tropfen weiter zerteilt und in eine Auf­ fangwanne 17 gezogen, wo die Flüssigkeit gesammelt und durch die Rohrleitung 18 abgesogen wird. Die beschriebenen Apparateteile werden durch Stützleisten 19 in der gezeig­ ten Position gehalten.

Eine andere Ansicht der Anordnung wird in Fig. 3 gezeigt. An die Druckleitung 8 sind mehrere Düsen 7 und die gleiche Zahl Abschirmzylinder 9 angeschlossen. In dieser Ansicht wird die Zahnleiste 16 am unteren Teil des Prallzylinders sichtbar. Der Durchmesser des Zylinders kann 10 bis 100 mm betragen, ein besonders günstiger Durchmesser liegt im Bereich von 15 bis 30 mm. Von der Weite der Düsen 7 hängt auch die Größe der Sekundartröpfchen ab, die beim Aufprall des Strahls entstehen. Mit Düsen der Weite 350 µm und einem Flüssigkeitsdruck von 2 bar erhält man beispiels­ weise Tröpfchen mit vorwiegend 50 µm Durchmesser. Die Ab­ stände zwischen den Düsen und der Prallelektrode bzw. zwischen der Abtropfleiste und der Auffangwanne können praktisch im Bereich von 70 bis 100 mm liegen, wenn die Betriebsspannung der Anlage 20 bis 40 kV beträgt. Die Stromaufnahme je Düse liegt im Bereich unter 100 Mikro­ ampere.

Die Verbindung aller Teile einer vollständigen Sprühan­ lage ist in Fig. 4 übersichtlich dargestellt. Aus einem geschlossenen Vorratsbehälter 20 wird die Flüssigkeit 21 mit der Pumpe 22 abgesogen und über die Druckleitung 8 den Düsen zugeführt. Der nicht versprühte Anteil fließt über die Saugleitung 18 in den Behälter 20 zurück. Da das ent­ nommene Flüssigkeitsvolumen immer größer ist als das zu­ rückströmende, bleibt der sonst allseitig geschlossene Flüssigkeitsbehälter ständig unter geringem Unterdruck und es besteht keine Gefahr des Überlaufens der Auffangwanne 17. Im ganzen System existiert lediglich eine hochspan­ nungsführende Elektrode 10, die an die Spannungsquelle 23 angeschlossen ist. Alle anderen Teile sind geerdet. Dadurch ist es auch möglich, die elektrische Kapazität der Anlage klein zu halten und auf diese Weise gefährliche Aufladungen zu vermeiden. Der gesamte Flüssigkeitsumlauf wird mit einer einzigen Pumpe bei niedrigem Arbeitsdruck aufrechterhalten.

Die leichte Bauweise des Sprühsystems ermöglicht in ein­ facher Weise die Ausdehnung der Sprühzone auf eine Länge von mehreren Metern.

Gemäß Fig. 5 wird eine Vorrichtung zur Anwendung des Ver­ fahrens zur Flüssigkeitsübertragung auf hochspannungfüh­ rende Zerstäubungselektroden für die Erzeugung größerer Mengen feinen, elektrisch geladenen Sprühnebels beschrie­ ben. In dieser Variante wird die Flüssigkeitszerstäubung nicht durch Prall, sondern durch Luftströmungen in Zwei­ stoffdüsen erzielt. Derartige Vorrichtungen können bei­ spielsweise in der Landwirtschaft zum Auftragen von Pflanzenschutzmitteln auf größere Pflanzenbestände oder in der Lackierindustrie zur Beschichtung von Gegenständen eingesetzt werden.

An einem Stützisolator 24 ist ein zylindrischer Träger 25 für das Sprühsystem befestigt. Am anderen Ende des Träger­ rohres befindet sich eine kugelförmige, gegebenenfalls auch zylindrische Sprühelektrode 26, in deren Wand von innen her mehrere Zweistoffdüsen so eingesetzt sind, daß die Flüssigkeit in je einem weiten Vollkegel nach außen abgesprüht werden kann. In Fig. 5 sind 3 solcher Sprüh­ stellen angedeutet. Die zum Betrieb der Düsen notwendige Luft wird über einen Druckschlauch 27 zugeführt, dessen Wand aus einem isolierenden Material (Kunststoff) besteht. Über ein Hochspannungskabel 28 stehen das Trägerrohr 25 und die Elektrode 26 mit einem Hochspannungsgenerator 29 in Verbindung.

Da die zu versprühende Flüssigkeit leitfähig ist, muß ein elektrisches Trennsystem 30 in die Flüssigkeitszuleitung eingeschaltet werden. In diesem Trennsystem wird die Flüssigkeit aus einer Reihe von Glattstrahldüsen 31 in dünnen Strahlen, beispielsweise je 0,2 bis 1,5 mm Dicke ausgestoßen und in einer Auffangwanne 32, die über die Rohrleitung 33 mit dem Düsenkopf 26 in Verbindung steht, gesammelt (selbstansaugende Düsen). Die Flüssigkeitsstrah­ len haben Längen von beispielsweise 100 bis 200 mm.

Mit einem geringen Überdruck wird die Flüssigkeit über die Leitung 35 dem Trennsystem 30 zugeführt. Die im Betrieb mit Druckluft selbstansaugend arbeidenden Zerstäuberdüsen im Sprühkopf 26 ziehen die Flüssigkeit aus der Wanne 32 durch die Leitung 33 ab und erzeugen jeweils einen Voll­ kegel des geladenen Sprühnebels. Die Tröpfchen schlagen sich auf der Oberfläche aller Gegenstände nieder, die sich in der näheren Umgebung der Düsen befinden und die an Erd­ potential liegen, bzw. eine entgegengesetzte Ladung tragen.

Mit 16 Glattstrahldüsen von 1 mm Weite im Trennsystem 30 können beispielsweise in der Minute 4 l Wasser bei 40 kV Spannung auf ein Sprühsystem übertragen werden. Der damit verbundene Stromabfluß zur Erde beträgt weniger als 0,08 mA.

Claims (10)

1. Verfahren zur Erzeugung eines elektrisch hochauf­ geladenen Sprühnebels aus einer leitfähigen Flüssig­ keit, dadurch gekennzeichnet, daß man die Flüssig­ keit durch eine oder mehrere Düsen als in Tropfen zerfallende Strahlen austreten läßt, anschließend die aus den Tropfen gebildete Flüssigkeit einem elek­ trisch gegenüber den Düsen isolierten Sprühsystem zuführt und zwischen Düsen und Sprühsystem ein hohes elektrisches Feld anlegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Sprühsystem eine Prallelektrode verwendet wird, auf die man die Tropfen auftreffen läßt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Prallelektroden mit gekrümmter Ober­ fläche verwendet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß kugelförmige Prallelektroden verwendet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zylinderförmige Prallelektroden verwendet wer­ den.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Feldstärke über der Aufprallstelle des Flüssigkeitsstrahles durch eine in der Nähe dieser Stelle angebrachte Feldelektrode erhöht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Feldelektrode ein Hohlzylinder verwendet wird, der einen Teil des Flüssigkeitsstrahls um­ schließt.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Prallelektrode an ihrer Unterseite mit Abtropfelementen ausgestattet werden, die die Bildung von zusammenhängenden ablaufenden Flüssig­ keitssträhnen verhindern.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Abtropfelemente Zahnleisten mit einem Zahn­ abstand von 5 bis 10 mm, vorzugsweise 6 bis 8 mm, verwendet werden.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Sprühsystem Zweistoffdüsen für die Flüssig­ keitszerstäubung verwendet werden.