DE69518670T2

DE69518670T2 - Verbesserung zu den flüssigkeitsabgabevorrichtungen

Info

Publication number: DE69518670T2
Application number: DE69518670T
Authority: DE
Inventors: Neale Thomas
Original assignee: Flow Research Evaluation Diagnostics Ltd
Current assignee: Flow Research Evaluation Diagnostics Ltd
Priority date: 1994-02-25
Filing date: 1995-02-27
Publication date: 2001-05-03
Anticipated expiration: 2015-02-28
Also published as: WO1995023030A1; JPH09509363A; US5810260A; EP0835163A1; US5941460A; AU1816595A; GB9403702D0; DE69518670D1; EP0835163B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Flüssigkeitsabgabevorrichtungen und betrifft in erster Linie Sprühzerstäuber.
In der folgenden Beschreibung wird oft auf Luft und Wasser Bezug genommen, da die bisherigen Versuche mit diesen Materialien durchgeführt wurden. Es ist jedoch zu verstehen, daß die Luft, obwohl sie das häufigste Medium ist, durch ein anderes Gas ersetzt sein kann oder mit ihm vermischt sein kann und daß das Wasser im allgemeinen durch eine andere Flüssigkeit ersetzt sein kann oder diese verdünnt, einschließlich oberflächenwirksamen Substanzen.
Flüssige Sprühmittel werden auf vielen Gebieten eingesetzt, und wenn auch die Erfindung zunächst im Hinblick auf landwirtschaftliches Sprühen entwickelt worden ist, kann sie klarerweise auch viele andere Anwendungen finden, von denen einige später erwähnt werden.
Bei vielen Sprühmitteln ist es erwünscht, daß sich sehr feine Tropfen so gleichmäßig als möglich verteilen. Je feiner sie jedoch sind, um so höher ist die Wahrscheinlichkeit, daß sie hinweggetrieben oder hinweggeblasen werden. Beim Sprühen in der Landwirtschaft müssen die Bedingungen sehr sorgfältig gewählt werden, jedoch setzt sich trotzdem typischerweise schätzungsweise vielleicht nur 30% der gesprühten Menge auf dem Ziel ab. Dies stellt nicht nur eine erhebliche Verschwendung dar, sondern auch eine erhebliche Gefahr, da ein Teil der anderen 70% bis in die Lunge von Menschen oder auf ihre Haut gerät, oder auch auf Vegetation oder Grund, die durch die Sprühflüssigkeit eher verschlechtert werden, als daß ihnen geholfen wird.
Eine Weise, einen Sprühstrahl zusammenzuhalten, besteht dahin, ihn mit hoher Geschwindigkeit auszustoßen. Wenn dies auch für einige Anwendungen akzeptabel ist, ist es es nicht für das Besprühen von Erntegut und für die meisten anderen Sprüharbeiten. Es erfordert nicht nur eine erhebliche zusätzliche Energie, sondern die mit hoher Geschwindigkeit fliegenden Tropfen können auch zartes Erntegut schädigen, oder können eher abprallen, als hängenbleiben.
Ein Zerstäuber gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der US-A-5 256 352 bekannt.
Das der Erfindung zugrundeliegende Ziel bestand darin, eine mäßig schnell fliegende Sprühung zu schaffen, die aus sehr feinen Tropfen zusammengesetzt sein kann und doch für eine nennenswerte Wurfweite zusammenbleibt. Es sollte deshalb möglich sein, sie viel besser als die meisten gegenwärtigen Sprühanordnungen zu steuern und auszurichten. Bei der Durchführung von Experimenten wurde jedoch auch festgestellt, daß andere Muster der Flüssigkeitsverteilung erzielt werden konnten.
Zum Erreichen des obengenannten Ziels schafft die vorliegende Erfindung einen Sprühzerstäuber gemäß dem Anspruch 1.
Mit geeigneten relativen Geschwindigkeiten und Größen und Formen der Öffnungen, durch die die Luft und das Wasser fließen, wurde herausgefunden, daß dies das Wasser in extrem feine Tropfen zerteilen und sie eine nennenswerte Entfernung weit in der Richtung des Luftstroms in bemerkenswert geschlossener Abgrenzung abschleudern kann.
Die ausstoßende Einrichtung kann so angeordnet sein, daß der Flüssigkeitsstrom eine Richtungskomponente parallel zum Gasstrom hat und/oder daß er zu ihm schräg verläuft, um eine Verwirbelung zu erzeugen.
Das Abgabeende kann einen Gasstrom mit dem Querschnitt einer geschlossenen Schleife bilden, wobei wenigstens ein Teil des Flüssigkeitsstroms zumindest hauptsächlich einwärts zur Schleife verläuft. In diesem Fall kann der Gaskanal einen zusätzlichen Gasstrom mit anderer Geschwindigkeit liefern, der koaxial innerhalb des ersten Gasstroms verläuft.
Es sind Einrichtungen zum Abgeben eines weiteren Gasstroms in einer solchen Konfiguration, daß die durch den ersten Gasstrom und den Flüssigkeitsstrom gebildete Sprühfigur eingehüllt wird, möglich, außerdem Einrichtungen zum Einführen von Flüssigkeit in den Gasstrom, bevor dieser aus dem Gaskanal austritt, und Einrichtungen zum Vermischen von Gas mit der Flüssigkeit, bevor diese in den Luftstrom geschleudert wird.
Während der Gasstrom und der Flüssigkeitsstrom im allgemeinen eine im wesentlichen gleichmäßige Geschwindigkeit haben, sind auch Einrichtungen zum Justieren der Geschwindigkeit von wenigstens einem der Ströme oder Einrichtungen zum Pulsieren von wenigstens einem der Ströme möglich.
Es kann auch eine Einrichtung zum Aufbringen einer elektrostatischen Ladung auf die Sprühfigur geben.
Zum besseren Verständnis der Erfindung werden nun beispielhaft einige Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben, bei denen alle Figuren schematisch sind. Es zeigen:
Fig. 1 eine Unteransicht eines erfindungsgemäßen Zerstäubers zum Erzeugen eines allgemein flachen Sprühvorhangs;
Fig. 2 eine Endansicht des Zerstäubers von Fig. 1;
Fig. 3 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Zerstäubers zum Erzeugers einer engen konischen Sprühfigur;
Fig. 4 eine Unteransicht eines Zerstäubers zum Erzeugen einer hybriden Sprühfigur;
Fig. 5 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Zerstäubers zum Erzeugen eines Sprühkegels mit unterschiedlich großen Tropfen;
Fig. 6 eine Seitenansicht einer zusammengesetzten Düse eines weiteren erfindungsgemäßen Zerstäubers; und
Fig. 7 eine Detailansicht der Fig. 6 zur Veranschaulichung der Atomisierung.
In den Fig. 1 und 2 endet eine Luftleitung an ihrer Unterseite in einem langgestreckten Schlitz 2 von gleichförmiger Breite. Entlang den gegenüberliegenden Seiten dieses Schlitzes sind unmittelbar unter ihm flache Fächer-Düsen 3 angeordnet, die horizontal quer über die Länge des Schlitzes zielen. Bei diesem Beispiel sind auf jeder Seite drei solche Düsen angeordnet, und sie sind direkt paarweise einander mit Abstand gegenüberstehend angeordnet. Wird Wasser unter Druck an die Düsen 3 geliefert, tritt es als flache Fächer 4 aus, wobei die Düsen einen solchen Abstand voneinander haben, daß benachbarte Fächer einander gerade vor dem Hindurchtritt unter dem Schlitz 2 treffen.
Durch den Schlitz 2 nach unten gerichtete Luft wendet die gegenüberliegenden flächigen Wasserschichten abwärts, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Die gegenseitige Einwirkung zerteilt das Wasser in feine Tropfen, aber diese tendieren dazu, sich zu dicht gepackten Anhäufungen oder Paketen 5 zu entwickeln, die einen gleichmäßigen Abstand aufweisen, jedoch asymmetrisch auf den gegenüberliegenden Seiten der vertikalen Zentralebene auftreten. Die Frequenz dieser Pakete liegt allgemein im Bereich von 100 bis 1000 Hz. Bei der Entwicklung des Sprühvorhangs expandieren diese Pakete, bleiben jedoch über eine wesentliche Weite zusammenhängend. Es gibt dazwischen dispergierte Tropfen, jedoch mit wesentlich geringerer Konzentration. Aufgrund des sich schnell bewegenden zentralen Luftstroms bleibt der Sprühvorhang für einen nennenswerten Abstand ab dem Schlitz 2 innerhalb eines engen Winkels, der typischerweise im Bereich von 10º bis 20º liegt, begrenzt.
Bezugnehmend auf Fig. 3, wird die Luft anstatt von einem langgestreckten Schlitz von einem zylindrischen Kanal 6 abgegeben. An seinem Austrittsende wird Wasser an in gleichmäßigem Abstand um seinen Umfang angeordneten Punkten oder in einer kontinuierlichen ringförmigen Schicht hineingespritzt. Wie hier dargestellt, wird das Wasser nicht im rechten Winkel zur Achse des Kanals ausgestoßen, sondern mit einer Neigung, die eine kleine mit dem Luftstrom gehende Komponente aufweist. Dies ergibt eine konische Sprühfigur 7 mit kleinem Winkel und mit in gleichförmigem Abstand angeordneten Ringpaketen 8, die sich entwickeln, so wie mit viel mehr diffundierten Tropfen 9 zwischen den Paketen 8.
Fig. 4 zeigt einen Zerstäuber, der eine Hybridkonstruktion zwischen den beschriebenen Konstruktionen ist. Der Schlitz ist zu einer ringförmigen Öffnung 10 weiterentwickelt, die einen ringförmigen Luftstrom erzeugt. Flachfächer-Düsen 11 sind gleichmäßig um den Luftstrom verteilt und auf dessen Zentrum gerichtet. Es sind vier Düsen dargestellt, jedoch könnten auch mehr Düsen vorhanden sein bis zum Extrem einer zusammenhängenden Wasser-Ringschicht, die nach innen abgeschleudert wird. Die Flüssigkeitsschichten 12 treffen auf die Außenseite des ringförmigen Luftstroms auf, werden nach unten umgelenkt und entwickeln sich zu einer achsensymmetrischen Sprühfigur mit pulsierenden Charakteristiken.
Gemäß Fig. 5 gibt es zwei Luftkanäle 16, 17, die koaxial zueinander sind. Der Luftstrom im inneren Kanal 16 ist schneller als der im äußeren Kanal 17. Das Wasser wird bei 18 einwärts in den äußeren Kanal 17 entweder horizontal oder wie dargestellt mit einem kleinen Winkel stromoberhalb des Abgabeendes des inneren Kanals 16 eingeleitet. Das auf den inneren Kanal 16 auftreffende Wasser bewirkt eine Oszillation und entwickelt sich zu einem äußeren Sprühkegel 19 aus relativ groben Tropfen und einem inneren Sprühkegel 20 aus fein atomisierten Tropfen. Der Expansions-Halbwinkel liegt allgemein im Bereich von 5 bis 15º, während die periodische Sprühstruktur (nicht dargestellt) im Bereich von 1 000 bis 2 000 Hz sein kann.
Eine andere mögliche Konfiguration ist in Fig. 6 dargestellt, bei der es drei koaxiale Kanäle 21, 22 und 23 gibt, die an ihrem unteren Ende nach innen konvergieren, um den Strom zu konzentrieren. Der innere Kanal 21 liefert Luft oder möglicherweise mit Wasser vorgemischte Luft, der mittlere Kanal 22 führt Wasser, das möglicherweise mit Luft vorgemischt ist, und der äußere Kanal 23 führt nur Luft. Das resultierende zerstäubte Sprühprodukt ist bei 24 dargestellt. Die gegenseitige Einwirkung der drei fließenden Ströme ist in Fig. 7 gezeigt, mit bei 25 angegebener Symmetrieachse. Der schneller fließende innere Luftstrom expandiert und zwingt die Flüssigkeit des mittleren Stroms in den äußeren Luftstrom, was die Zerstäubung verstärkt.
Bei den beschriebenen Ausführungsformen, bei denen das Wasser radial gerichtet ist, könnte dies auch so eingestellt werden, daß es eine zum Luftstrom tangentiale Komponente hat, wodurch ein Wirbel erzeugt wird.
Die beschriebenen Sprühdüsen und weitere, die den gleichen Prinzipien folgen, können viele verschiedene Anwendungen jenseits des landwirtschaftlichen Sprühens haben. Beispielsweise könnten sie für folgende Zwecke verwendet werden:
Farbsprühen/Sprühbeschichten
Brandbekämpfung
Kunstschneeerzeugung
Treibstoffeinspritzung
Schaumerzeugung
Sprühkühlung
Pulvermetallerzeugung
Belüftung
Gasreinigung
Partikelbeschichtung und -verkapselung
Emulsionserzeugung
Industrielles Waschen
Sprühtrocknung
Sprühreaktoren
Es werden noch Versuche durchgeführt, um die optimalen Luft- und Wassergeschwindigkeiten und volumetrischen Strömungsraten zu ermitteln. Es wurden jedoch zufriedenstellende Ergebnisse mit Wassergeschwindigkeiten von verfügbaren Fächer-Düsen in der Größenordnung von 10 m/s, und etwas niedriger von einer Ringdüse, erzielt, während die Luftgeschwindigkeit im Bereich von 20 bis 50 m/s liegen kann. Die volumetrische Strömungsrate der Luft sollte niedrig sein (also enge verwendete Schlitze) und sollte ausgewogen sein zwischen dem Erfordernis, genügend Luft zum Aufbrechen der Flüssigkeitsschicht(en) zu Tropfen zu haben, und der Vermeidung eines nachteiligen Effekts auf das, was besprüht wird.

Claims

1. Zerstäuber mit einem ein Abgabeende (2, 10) aufweisenden Gaskanal (1, 6, 10, 16, 17, 21) und einer Einrichtung (3, 11, 22) zum entgegengesetzt gerichteten Ausstoßen eines im wesentlichen kontinuierlichen Stroms (4, 12, 18) von Flüssigkeit in Querrichtung zu einem Zusammentreffen mit dem Gasstrom, der aus dem Gaskanal mit einer Geschwindigkeit und in einer Menge derart austritt, daß er die Flüssigkeitsschicht zu Sprühtropfen (7, 19, 20, 24) aufbricht, die der Richtung des Gasstroms folgen, dadurch gekennzeichnet, daß die ausstoßende Einrichtung und der Gaskanal so angeordnet sind, daß der Flüssigkeitsstrom schichtförmig ist und das Zusammentreffen des Gases und der Flüssigkeitsschicht Tropfen erzeugt, die dazu tendieren, sich zu Paketen (5, 8) zusammenzuballen.

2. Zerstäuber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ausstoßende Einrichtung so angeordnet ist, daß der Flüssigkeitsstrom eine Richtungskomponente parallel zum Gasstrom hat.

3. Zerstäuber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ausstoßende Einrichtung so angeordnet ist, daß der Flüssigkeitsstrom eine Richtungskomponente schräg zum Gasstrom hat, um einen Wirbel zu erzeugen.

4. Zerstäuber nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgabeende (10) einen Gasstrom mit dem Querschnitt einer geschlossenen Schleife bildet, wobei zumindest ein Teil des Flüssigkeitsstroms zumindest hauptsächlich einwärts zur Schleife ist.

5. Zerstäuber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaskanal (16, 17) einen zusätzlichen Gasstrom unterschiedlicher Geschwindigkeit liefert, der koaxial zum ersten Gasstrom ist.

6. Zerstäuber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (23) zum Abgeben eines weiteren Gasstroms in einer Konfiguration zum Einhüllen der vom ersten Gasstrom und dem Flüssigkeitsstrom gebildeten Sprühfigur vorhanden ist.

7. Zerstäuber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum Einführen von Flüssigkeit in den Gasstrom, bevor dieser aus dem Kanal austritt, vorhanden ist.

8. Zerstäuber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum Mischen von Gas mit der Flüssigkeit, bevor diese in den Luftstrom geschleudert wird, vorhanden ist.

9. Zerstäuber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrom und der Flüssigkeitsstrom eine im wesentlichen gleichmäßige Geschwindigkeit haben.

10. Zerstäuber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum Einstellen der Geschwindigkeit von wenigstens einem der Ströme vorhanden ist.

11. Zerstäuber nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum Pulsieren von wenigstens einem der Ströme vorhanden ist.

12. Zerstäuber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum Aufbringen einer elektrostatischen Ladung auf die Sprühfigur vorhanden ist.