ES2265561T3 - Atomizador ultrasonico asistido por aire. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de atomización de un líquido, que comprende las etapas siguientes: proporcionar un atomizador ultrasónico que comprende un amplificador mecánico (2) que presenta un extremo libre que constituye una superficie de atomización (4), y un canal de suministro de líquido (7) que proporciona el líquido a dicha superficie de atomización (4), fijar dicho atomizador ultrasónico en una carcasa (5) mediante una brida de fijación (6) provista de unos conductos para el gas (10), no estando dicha carcasa (5) en contacto con dicho amplificador mecánico (2), caracterizado porque se provoca un flujo de gas alrededor de dicho atomizador ultrasónico dirigido hacia una serie de orificios que se encuentran en la superficie de dicha superficie de atomización (4), y se atomiza el líquido sobre dicha superficie de atomización (4).
Description
Atomizador ultrasónico asistido por aire.
La presente invención se refiere a un atomizador
ultrasónico asistido por aire con un aumento en el flujo de líquido
a atomizar, un aumento en la calidad de la atomización y una
distribución del tamaño de gota de nebulización controlada y
reducida.
Son muy conocidos los atomizadores ultrasónicos
compuestos por elementos piezoeléctricos unidos a un amplificador
mecánico, por ejemplo a partir del documento US nº 4.153.201 en el
que se basan los preámbulos de las reivindicaciones 1 y 5. El
amplificador mecánico permite aumentar la energía de la onda
acústica generada por los elementos piezoeléctricos hasta un nivel
de intensidad suficiente para iniciar y mantener el proceso de
atomización. Los atomizadores ultrasónicos se pueden clasificar en
dos categorías principales según el mecanismo físico de formación
de las gotas.
La primera categoría se refiere a los
atomizadores ultrasónicos en los que la producción de gotas se
controla principalmente mediante la desintegración de un chorro de
líquido gracias a la inestabilidad de las ondas capilares. Dichas
ondas aparecen en un líquido sometido a un flujo que permanece en
contacto con una superficie sólida oscilante. La superficie sólida
habitualmente está constituida por la parte interna de un canal
pequeño realizado en el amplificador mecánico, siendo las
vibraciones mecánicas paralelas al flujo del líquido. La
atomización se produce en cuanto el líquido abandona el canal
(véase, por ejemplo, la patente
US-A-5.687.905). La presente
invención no se refiere a dicho tipo de atomizadores
ultrasónicos.
La segunda categoría se refiere a los
atomizadores ultrasónicos caracterizados por una producción de
gotitas basada en la desintegración de una masa de ligamentos que
resulta de un patrón cuadrado de la inestabilidad de las ondas
superficiales. Dicho proceso tiene lugar sobre una superficie de
atomización que puede presentar distintas formas: cónica, esférica,
plana con o sin meseta... Cuando el líquido llega a la superficie de
atomización, se propaga casi instantáneamente bajo el efecto de las
vibraciones y forma una película cuyo espesor depende del caudal de
flujo. La película líquida se somete a vibraciones transversales y
se desarrolla un patrón de onda cuadrado en su superficie de
contacto. Se puede garantizar el suministro de líquido mediante un
canal realizado en el amplificador mecánico hasta la superficie de
atomización o mediante un tubo externo que termina muy próximo a la
superficie de atomización. En cualquier caso, la presión de
inyección requerida, resulta muy pequeña. Sindayihebura, Bolle,
Cornet y Joannes (J. Acoust. Soc. Am. 103 (3), 1998, pág.
1442-1448) desarrollaron un modelo matemático que
permitía una determinación precisa de las dimensiones óptimas de la
segunda categoría de atomizadores ultrasónicos en función de una
frecuencia determinada.
A pesar de que dichos atomizadores ultrasónicos
producen una pulverización mucho más fina que los inyectores
mecánicos clásicos, la distribución del tamaño de nebulización puede
resultar no tan estrecho como se esperaba. De hecho, a veces se
producen gotas grandes. La presencia de dichas gotas hacen que el
atomizador resulte inadecuado para determinadas aplicaciones
domésticas o industriales. Además, se ha observado que la variación
del flujo de líquido puede ir acompañada de variaciones de las
características de la nebulización y de la distribución del tamaño
de gota de nebulización que no resultan insignificantes. El aumento
del flujo provoca una atomización gruesa y un mayor consumo de
energía. Dicho comportamiento limita la posible utilización de
dichos atomizadores en aplicaciones domésticas o industriales que
requieran únicamente flujos muy reducidos.
La presente invención tiene como objetivo
proporcionar un atomizador ultrasónico de baja frecuencia con un
flujo de líquido a atomizar significativamente aumentado, un aumento
en la calidad de la atomización y una distribución del tamaño de
gota de nebulización controlada y reducida, superando los
inconvenientes de las soluciones de las técnicas actuales.
La presente invención se refiere a un
procedimiento de atomización de un líquido que comprende las etapas
siguientes:
- \bullet
- proporcionar un atomizador ultrasónico que comprende un amplificador mecánico que presenta un extremo libre que constituye una superficie de atomización, y un canal de suministro del líquido que proporciona el líquido a dicha superficie de atomización,
- \bullet
- fijar dicho atomizador ultrasónico en una carcasa mediante una brida de fijación provista de unos conductos para el gas, sin que dicha carcasa se encuentre en contacto con dicho amplificador mecánico,
- \bullet
- provocar un flujo de gas alrededor de dicho atomizador ultrasónico dirigido hacia una serie de orificios que se encuentran en la superficie de dicha superficie de atomización, y
- \bullet
- atomizar el líquido sobre dicha superficie de atomización.
Ventajosamente, se provoca el flujo de gas
mediante una presión de inyección inferior a 1 bar. Preferentemente
el flujo de gas consiste en un flujo de aire.
En las formas de realización habituales, el
atomizador ultrasónico funciona a una frecuencia inferior a los 400
kHz.
En un segundo objetivo, la presente invención se
refiere a un dispositivo destinado a atomizar un líquido. El
dispositivo comprende un atomizador ultrasónico que funciona a una
frecuencia inferior a los 400 kHz, comprendiendo dicho atomizador
un amplificador mecánico que comprende un extremo libre que
constituye una superficie de atomización, y un canal de suministro
de líquido que proporciona líquido a la superficie de atomización.
El dispositivo comprende además una brida de fijación que encierra
el atomizador ultrasónico en una carcasa, por lo que no se produce
contacto alguno entre la carcasa y el amplificador mecánico. La
brida de fijación comprende unos conductos para el gas y la
superficie de atomización comprende una serie de orificios a través
de los que puede fluir el gas.
Ventajosamente el flujo de gas es un flujo de
aire.
Dicha carcasa presenta habitualmente la forma de
una tobera.
En una forma de realización preferida, el canal
de suministro del líquido se dispone en el interior del atomizador
ultrasónico. En una forma de realización alternativa el canal de
alimentación del líquido es externo al atomizador ultrasónico.
Otro objetivo de la invención se refiere a un
dispositivo de humidificación que comprende un dispositivo destinado
a atomizar un líquido tal como se ha descrito anteriormente.
La Figura 1 representa una sección lateral del
sistema de atomización según la presente invención.
La Figura 2 representa una sección lateral de
una forma de realización alternativa del sistema de atomización.
La Figura 3 representa la superficie de
atomización de los sistemas ilustrados en la Figuras 1 y 2.
La Figura 4 representa una sección lateral.
La Figura 5 representa la superficie de
atomización del sistema ilustrada en la Figura 4.
Las Figuras 6, 7 y 9 representan alternativas de
los sistemas de atomización presentados en las Figuras 1, 2 y 4. Un
sistema de suministro del líquido externo al atomizador caracteriza
básicamente dichas alternativas.
La Figura 8 representa la superficie de
atomización de los atomizadores ilustrados en las Figuras 6 y 7.
La Figura 10 representa la superficie de
atomización del atomizador ilustrado en la Figura 9.
La Figura 11 representa la distribución del
tamaño de nebulización en función del volumen para un flujo de
líquido de 0,4 l/h.
La Figura 12 representa la distribución del
tamaño de nebulización en función del volumen para un flujo de
líquido de 0,65 l/h.
El reto real de la tecnología de atomización
ultrasónica es el incremento del flujo del líquido hasta niveles
adecuados para utilizarse en aplicaciones industriales a gran
escala. El atomizador ultrasónico descrito en la presente invención
resulta adecuado para aplicaciones de saneamiento del aire,
especialmente aquéllas en que se necesita un flujo de líquido
elevado tales como en el caso de la humidificación. Existen muchas
otras aplicaciones industriales y domésticas tales como la
atomización de combustible en motores de combustión interna y en
quemadores y la difusión de líquidos específicos en sistemas de
producción de nieve artificial.
El atomizador ultrasónico de baja frecuencia
(inferior a 400 kHz) que se da a conocer en la presente invención
pertenece a la segunda categoría de atomizadores ultrasónicos tal
como se ha descrito en las técnicas anteriores. Los inconvenientes
de las soluciones de las técnicas anteriores se superan gracias a un
flujo de aire adecuado y eficaz, generado a través una serie de
pequeños orificios realizados en la superficie de atomización del
atomizador. El flujo de aire se provoca mediante una presión de
inyección muy reducida (\DeltaP_{i} < 1 bar).
Inesperadamente un ventilador de pequeñas dimensiones o la
desviación de una pequeña fracción de aire que pasa a través de una
chimenea de ventilación resulta suficiente para producir el efecto
requerido.
Dicha técnica de flujo de aire permite disminuir
los contactos entre los extremos de ligamento cuya ruptura provoca
el proceso de formación de gotas, para limitar el impacto de gotas y
presentar una mejor eliminación de las gotas alrededor de la
superficie de atomización. Otras ventajas comprenden:
- \bullet
- un aumento significativo del flujo de líquido atomizado al mismo tiempo que se mantiene una muy buena calidad de atomización sin incremento alguno en el consumo de energía,
- \bullet
- la producción de una pulverización líquida mucho más fina que la producida mediante los atomizadores ultrasónicos clásicos de la segunda categoría; por ejemplo, a una frecuencia de trabajo de 55 kHz, el diámetro medido de las gotitas mayores en la nebulización es igual a 150 \mum para un atomizador ultrasónico que no esté asistido por aire e igual a 98 \mum para un atomizado ultrasónico asistido por aire a una presión de inyección de aire de aproximadamente 200 mbar, y
- \bullet
- la posibilidad de controlar el ángulo de nebulización actuando sobre la dirección del flujo de aire.
La Figura 1 presenta la parte aguas abajo de un
atomizador ultrasónico asistido por aire. El propio atomizador
ultrasónico esta compuesto por un par de elementos piezoeléctricos
(1), un amplificador mecánico (2) y un soporte (3) que intercala
los elementos piezoeléctricos contra el amplificador. El extremo
libre del amplificador mecánico constituye la superficie de
atomización (4). Comprende una serie de orificios de unas
dimensiones reducidas (9) a través de las que fluye una fracción
elevada del aire. El suministro del líquido se realiza gracias a la
utilización de un canal con un diámetro reducido (7) dispuesto en el
interior del amplificador mecánico (2) (Figuras 1 a 5) o en
contacto con la superficie de atomización (4) y que suministra el
líquido a dicha superficie (Figuras 6 a 10). Una brida de fijación
(6) fija el atomizado ultrasónico a una carcasa (5) que encierra el
flujo de aire. La brida de fijación del atomiza se encuentra
perforada simétricamente (8) a fin de crear unos conductos para el
aire (10). La carcasa puede presentar ventajosamente la forma de
una tobera. Su geometría interna se encuentra diseñada de modo que
el flujo de aire se dirige hacia los orificios de la superficie de
atomización. Resulta importante que no se produzca contacto alguno
entre la tobera (carcasa (5)) y el mecanismo amplificador (2). De
este modo, la parte descendente de la tobera y de la superficie de
atomización delimitan una abertura anular de un espesor muy reducido
("d" en la Figura 1). Ello permite minimizar el flujo de gas
que sale de dicha abertura. La disposición del atomizador en la
carcasa se realiza a fin de garantizar un flujo de gas simétrico
alrededor del atomizador ultrasónico.
Se pueden concebir diversas formas de
realización. Tal como se ha expuesto anteriormente, en la Figura 1,
la tobera deja únicamente una abertura muy estrecha en la carcasa.
Se pueden prever algunos canales para que pase el aire. La
superficie de atomización (4) se ilustra en la Figura 3, junto con
los orificios (9) de dimensiones reducidas y el orificio de emisión
del canal de suministro del líquido (7). En la Figura 2, el aire
pasa inmediatamente a la superficie de atomización. En la Figura 4,
la carcasa presenta una forma distinta, dando origen a una
superficie de atomización con un número inferior de orificios, tal
como puede observarse en la Figura 5.
Las Figuras 6, 7 y 9 representan formas de
realización en las que el canal de suministro del líquido se dispone
de otro modo. En dichos casos no se necesita orificio alguno en
medio de la superficie de atomización para suministrar el
líquido.
A continuación se exponen algunos resultados con
un atomizador ultrasónico de 55 kHz.
El flujo máximo de agua (q_{v}) de un
atomizador de 55 kHz que no está asistido por aire es igual a 1,1
l/h. Con un flujo de aire provocado mediante una presión de
inyección de 200 mbar (\DeltaP_{i}aire = 200 mbar), el flujo
máximo de líquido (q_{v}) aumenta hasta 4,2 l/h. Las Figuras 11 y
12 ilustran la distribución del tamaño de gota de nebulización en
función del volumen obtenida para dos flujos de líquido distintos,
0,40 l/h y 0,65 l/h, respectivamente. En ambos casos, la presión de
inyección del aire es igual a 200 mbar. Se puede observar que la
nebulización resultante es mucho más fina cuando la atomización se
produce asistida por aire.
Claims (10)
1. Procedimiento de atomización de un
líquido, que comprende las etapas siguientes:
- \bullet
- proporcionar un atomizador ultrasónico que comprende un amplificador mecánico (2) que presenta un extremo libre que constituye una superficie de atomización (4), y un canal de suministro de líquido (7) que proporciona el líquido a dicha superficie de atomización (4),
- \bullet
- fijar dicho atomizador ultrasónico en una carcasa (5) mediante una brida de fijación (6) provista de unos conductos para el gas (10), no estando dicha carcasa (5) en contacto con dicho amplificador mecánico (2), caracterizado porque
- \bullet
- se provoca un flujo de gas alrededor de dicho atomizador ultrasónico dirigido hacia una serie de orificios que se encuentran en la superficie de dicha superficie de atomización (4), y
- \bullet
- se atomiza el líquido sobre dicha superficie de atomización (4).
2. Procedimiento de atomización de un líquido
según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho flujo
de gas es inducido mediante una presión de inyección inferior a 1
bar.
3. Procedimiento de atomización de un líquido
según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho flujo
de gas es un flujo de aire.
4. Procedimiento de atomización de un líquido
según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho
atomizador ultrasónico funciona a una frecuencia inferior a 400
kHz.
5. Dispositivo de atomización de un líquido,
que comprende un atomizador ultrasónico que funciona a una
frecuencia inferior a 400 kHz, comprendiendo dicho atomizador un
amplificador mecánico (2) que presenta un extremo libre que
constituye una superficie de atomización (4), y un canal de
suministro de líquido (7) que proporciona el líquido a dicha
superficie de atomización (4), comprendiendo además dicho
dispositivo una brida de fijación (6), confinando dicho atomizador
ultrasónico en una carcasa (5), no estando dicha carcasa en contacto
con dicho amplificador mecánico (2), caracterizado porque
dicha brida de fijación (6) comprende unos conductos para el gas
(10) y dicha superficie de atomización (4) comprende una serie de
orificios a través de los que puede fluir el
gas.
gas.
6. Dispositivo de atomización de un líquido
según la reivindicación 5, caracterizado porque dicho flujo
de gas es un flujo de aire.
7. Dispositivo de atomización de un líquido
según la reivindicación 5, caracterizado porque dicha carcasa
(5) presenta la forma de una tobera.
8. Dispositivo de atomización de un líquido
según la reivindicación 5, caracterizado porque dicho canal
de suministro de líquido (7) se dispone en el interior de dicho
atomizador ultrasónico.
9. Dispositivo de atomización de un líquido
según la reivindicación 5, caracterizado porque dicho canal
de suministro del líquido (7) es externo a dicho atomizador
ultrasónico.
10. Dispositivo de humidificación, que
comprende un dispositivo de atomización de un líquido según
cualquiera de las reivindicaciones 5 a 9.
Applications Claiming Priority (1)
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