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