EP0434980A2 - Vorrichtung zum Zerstäuben von flüssigen und festen Stoffen, vorzugsweise geschmolzenen Metalls - Google Patents

Vorrichtung zum Zerstäuben von flüssigen und festen Stoffen, vorzugsweise geschmolzenen Metalls Download PDF

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EP0434980A2
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jet
fluid jet
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Klaus Prof. Dr.-Ing. Bauckhage
Peter Dipl.-Ing. Schreckenberg
Hermann Dr. Phil. Vetters
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Branson Ultraschall Niederlassung der Emerson Technologies GmbH and Co OHG
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    • B22F9/082—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material by casting, e.g. through sieves or in water, by atomising or spraying atomising using a fluid
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    • B22F9/082—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material by casting, e.g. through sieves or in water, by atomising or spraying atomising using a fluid
    • B22F2009/088—Fluid nozzles, e.g. angle, distance

Definitions

  • the invention relates to a device for atomizing at least one jet of a liquid or solid substance, preferably molten metal, according to the preamble of patent claim 1.
  • the invention is based on a known device (EP-A1 0 308 933), in which the radiating sonotrode surfaces are arranged in the tapered section of a nozzle, through which an inert or reaction gas is introduced into the ultrasound field between the sonotrode surfaces. This gas flow promotes the atomization process and allows targeted particle transport out of the atomization area.
  • the combustion air can be blown radially through slot or ring nozzles into the pressure bellies or nodes of the standing wave of an ultrasonic field which is generated between a sonotrode and a reflector.
  • the invention has for its object to design the device of the type described in such a way that the atomization throughput is significantly increased and the atomization process can be better regulated.
  • the atomizing fluid jet which is usually liquid
  • the additional fluid which is usually gaseous
  • the throughput of additional fluid through the nozzles can be set separately from the atomizing fluid.
  • a plurality of atomizing and additional fluid jets are preferably introduced.
  • the throughput of atomizing fluid should not exceed an upper limit, since the jet then breaks through in the atomizing area and reduces the atomizing power.
  • additional fluid streams are introduced into the atomization areas in the pressure node simultaneously and in addition to the actual atomizing fluid jet, the atomizing fluid mass throughput can be increased significantly.
  • Liquids in particular melts
  • solid substances minerals, powders, foams
  • Gas, steam, mist, liquid, powder or the like can be used as the additional fluid.
  • FIG. 1 shows the device known from EP-A 0 308 933, in which an ultrasound standing field 3 with pressure nodes and pressure bellies is generated between two sonotrodes 1 and 2.
  • the openings of melting crucibles 4 open into the node areas, from which one or more jets of melt emerge and are atomized in the ultrasound field of a gas passed between the sonotrode surfaces 5, 6.
  • the sonotrode 2 belongs to an ultrasonic oscillator 10, which is shown in FIG. 2, which has a booster 11 and a converter 12.
  • a housing 15 surrounding the converter 12 and the booster 11 is fastened in a pressure-tight manner.
  • the housing 15 is arranged via a sleeve 17, which is also provided with seals 16, in an outer housing 18 which forms the passage through a wall 19 which separates the outer space 20 from the pressure space 21, in which the atomization is carried out.
  • the cable 22 is introduced into the converter 12 via the housing 18.
  • the housing 15 can be adjusted axially via an adjusting device 23.
  • FIG. 3 shows an end view of the sonotrode surface 5 of the sonotrode 1.
  • the atomizing fluid nozzles 25 there are several individual additional fluid nozzles 26 which are connected to pressure medium sources (not shown).
  • the nozzles 25 and 26 are directed radially and offset on the circumference. Fluid flows are directed via the nozzles 25, 26 specifically onto the longitudinal axis 7 of the oscillator arrangement.
  • the introduction into the pressure node areas of the ultrasound field is preferably carried out, as can also be seen from FIG. 5.
  • the nozzles are arranged alternately, so that in addition to an atomizing fluid jet from the nozzle 25, an additional fluid jet emerges from the nozzle 26.
  • FIG. 4 shows ring nozzles 28 in which the atomizing fluid jet emerges from a central opening 29 and the additional fluid jet emerges from an annular opening 30 which surrounds the central nozzle in an annular manner. All of these nozzles are each directed into a pressure node area of the standing wave.
  • FIG. 5 shows the arrangement of several such individual or ring nozzles 25, 26, 28 shown in FIG. 3 or 4 for introducing atomizing and additional fluid flows into the individual pressure node areas of the standing shaft.
  • a plurality of nozzles 25, 26, 28 are again provided for each pressure node area, as shown in FIG. 3 or 4.
  • FIG. 6 shows a flat nozzle 35 with inlets 36 for atomizing fluid and inlets 37 for additional gas.
  • the additional gas jet enters the atomizing area of the ultrasonic wave in a targeted manner on both sides of the atomizing gas jet emerging in the center.
  • FIG. 7 shows the end view 5 of a rectangular sonotrode 1, for which the flat nozzle 35 is particularly suitable.
  • the atomizing performance can also be increased with such a large-area sonotrode.
  • FIG. 8 shows the arrangement in which a plurality of nozzles 25, 26 or ring nozzles 28 arranged in rows next to one another are provided in the ultrasound field generated by a large-area, rectangular sonotrode 1, each of which is arranged in the planes of the pressure node areas.
  • FIG. 9 shows a further measure to improve the atomization performance.
  • the sonotrode surfaces 5 and 6 are concave, so that the energy in the node of the ultrasonic standing wave is focused and thus the acoustic pressure is increased.
  • the sonotrode radiation surfaces can also be coated in order to reduce wettability. This can be done, for example, by vapor deposition of boron nitrite, titanium nitrite or by chrome plating or anodizing, etc.

Landscapes

  • Special Spraying Apparatus (AREA)
  • Manufacture Of Metal Powder And Suspensions Thereof (AREA)
  • Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)
  • Coating By Spraying Or Casting (AREA)

Abstract

Bei einer Vorrichtung zum Zerstäuben mindestens eines Strahls eines flüssigen oder festen Stoffes, vorzugsweise geschmolzenen Metalls erfolgt der Zerstäubungsprozeß in einem stehenden Ultraschallfeld, das zwischen mindestens einem Paar Ultraschallschwingern (1,2) erzeugt wird. Zur Leistungserhöhung werden in jedem Knotenpunktsbereich der stehenden Ultraschallwelle aus Düsen (4) mehrere Zerstäubungsfluidstrahlen und ergänzend hierzu Zusatzfluidstrahlen (z.B. Gas) eingeleitet. Auf diese Weise wird der Zerstäubungs-Fluidmassendurchsatz sehr stark erhöht und damit die Zerstäubungsleistung gesteigert. Ferner werden besondere Sonotrodenformen vorgeschlagen, um die Leistungsfähigkeit weiter zu steigern.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zerstäuben mindestens eines Strahls eines flüssigen oder festen Stoffes, vorzugsweise geschmolzenen Metalls nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Die Erfindung geht von einer bekannten Vorrichtung aus (EP-A1 0 308 933), bei der die abstrahlenden Sonotrodenflächen im Verjüngungsabschnitt einer Düse angeordnet sind, durch die ein Inert- oder Reaktionsgas in das Ultraschallfeld zwischen den Sonotrodenflächen eingeleitet wird. Dieser Gasstrom fördert den Zerstäubungsprozeß und erlaubt einen gezielten Partikeltransport aus dem Zerstäubungsbereich heraus.
  • Bei einer bekannten Vorrichtung (DE-C2 28 42 232) zum Zerstäuben von Kohlestaub für Heizungszwecke kann die Verbrennungsluft radial durch Schlitz- oder Ringdüsen in die Druckbäuche oder Knoten der stehenden Welle eines Ultraschallfeldes eingeblasen werden, das zwischen einer Sonotrode und einem Reflektor erzeugt wird.
  • Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Vorrichtung der eingangs geschilderten Art so auszubilden, daß der Zerstäubungsdurchsatz deutlich erhöht wird und der Zerstäubungsprozeß besser geregelt werden kann.
  • Die genannte Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Erfindungsgemäß werden nicht nur der Zerstäubungsfluidstrahl, der im Regelfall flüssig ist, sondern auch das im Regelfall gasförmige Zusatzfluid über Düsen gezielt in die Druckknotenbereiche der stehenden Ultraschallwelle eingebracht. Der Durchsatz an Zusatzfluid durch die Düsen ist getrennt zum Zerstäubungsfluid einstellbar. Vorzugsweise werden mehrere Zerstäubungs- und Zusatzfluidstrahlen eingeleitet. Der Durchsatz an Zerstäubungsfluid soll einen oberen Grenzwert nicht überschreiten, da der Strahl dann im Zerstäubungsbereich durchschlägt und die Zerstäubungsleistung verkleinert. Wenn aber Zusatzfluidströme gleichzeitig und zusätzlich zum eigentlichen Zerstäubungsfluidstrahl in die Zerstäubungsbereiche im Druckknoten eingeleitet werden, so läßt sich der Zerstäubungs-Fluidmassendurchsatz wesentlich erhöhen. Dies läßt sich auf eine lokale Erhöhung der Gasdichte (Staudruck) im Zerstäubungsbereich der Druckknoten sowie durch die Turbulenzerhöhung im Zerstäubungsbereich infolge der gezielten Zusatzfluidmassenstromeinbringung zurückführen. Durch die gezielte und lokal eingegrenzte Einbringung der Zerstäubungsfluid-/Zusatzfluidströme wird eine Zweiphasen-Zerstäubung erzielt. Im Zerstäubungsbereich erfolgt zusätzlich zur Ultraschalleinwirkung ein Impulsübertrag von Seiten des unterstützenden Zusatzgases und damit eine wesentliche Leistungsverbesserung des Zerstäubungsprozesses. Ferner ergibt sich eine Verschiebung des Tropfengrößenspektrums bei der Zerstäubung zu kleineren Tropfen hin. Ferner ist die Regelmöglichkeit des Zerstäubungsprozesses durch Veränderung des Zusatzgasstromes verbessert. Im Zerstäubungsbereich wird eine größere Kühlwirkung und damit höhere Abkühlgeschwindigkeit erzielt und es erfolgt ein gezielter Partikeltransport aus dem Zerstäubungsbereich heraus.
  • Als Zerstäubungsfluid können Flüssigkeiten (insbesondere Schmelzen) und feste Stoffe (Minerale, Pulver, Schäume) Verwendung finden.Als Zusatzfluid kann Gas, Dampf, Nebel, Flüssigkeit, Pulver oder dergleichen Verwendung finden.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine Seitenansicht einer Vorrichtung zum Zer stäuben einer Schmelze in wenigstens drei Tiegeldüsen in drei Druckknotenbereichen
    Fig. 2
    einen Schnitt durch einen der Ultraschall schwinger,
    Fig. 3
    eine Anordnung mit in einem Druckknotenbereich liegenden Einzeldüsen zum Einleiten von Zerstäubungsfluid und Zusatzfluid,
    Fig. 4
    eine Anordnung mit in einem Druckknotenbereich liegenden Ringdüsen für Zerstäubungsfluid und Zusatzfluid,
    Fig. 5
    eine Seitenansicht der Figur 4,
    Fig. 6
    eine Seitenansicht mit einer Flachdüse in einem Drucknotenbereich
    Fig. 7
    eine Stirnansicht der Anordnung in Fig. 6
    Fig. 8
    eine Stirnansicht einer Düsenanordnung nach Fig. 3 oder Fig. 4 für eine rechteckige Sonotrode und
    Fig. 9
    eine Seitenansicht mit konkaven Sonotroden.
  • Figur 1 zeigt die aus der EP-A 0 308 933 bekannte Vorrichtung, bei der zwischen zwei Sonotroden 1 und 2 ein Ultraschall-Stehfeld 3 mit Druckknoten und Druckbäuchen erzeugt wird. In die Knotenbereiche münden die Öffnungen von Schmelztiegeln 4, aus denen je ein oder mehrere Strahlen Schmelze austreten und in dem Ultraschallfeld eines zwischen den Sonotrodenflächen 5, 6 durchgeleiteten Gases zerstäubt werden.
  • Die Sonotrode 2 gehört zu einem Ultraschallschwinger 10, der in Fig. 2 dargestellt ist, der einen Booster 11 und einen Konverter 12 aufweist. An einer Knotenstelle 14 des Boosters 11 ist ein den Konverter 12 und den Booster 11 umschließendes Gehäuse 15 druckdicht befestigt. Das Gehäuse 15 ist über eine ebenfalls mit Dichtungen 16 versehene Hülse 17 in einem Außengehäuse 18 angeordnet, das die Durchführung durch eine Wandung 19 bildet, die den Außenraum 20 vom Druckraum 21 trennt, in dem die Zerstäubung vorgenommen wird. Über das Gehäuse 18 erfolgt die Einführung des Kabels 22 an den Konverter 12. Das Gehäuse 15 ist über eine Verstelleinrichtung 23 axial einstellbar.
  • In Figur 3 ist eine Stirnansicht der Sonotrodenfläche 5 der Sonotrode 1 dargestellt. Neben den Zerstäubungsfluid-Düsen 25 finden sich mehrere einzelne Zusatzfluid-Düsen 26, die an nicht dargestellte Druckmittelquellen für angeschlossen sind. Die Düsen 25 und 26 sind radial gerichtet und am Umfang versetzt angeordnet. Über die Düsen 25, 26 werden Fluidströme gezielt auf die Längsachse 7 der Schwingeranordnung geleitet. Vorzugsweise erfolgt die Einleitung in die Druckknotenbereiche des Ultraschallfeldes, wie dies auch aus Figur 5 hervorgeht. In Figur 3 sind die Düsen abwechselnd angeordnet, so daß jeweils neben einem Zerstäubungsfluidstrahl aus der Düse 25 ein Zusatzfluidstrahl aus der Düse 26 austritt. Durch die dargestellte kombinierte Düsenanordnung, die über den Umfang der Sonotrodenanordnung fortgesetzt werden kann läßt sich der Fluidmassendurchsatz wesentlich erhöhen und damit die Zerstäubungsleistung vergrößern.
  • In Figur 4 sind Ringdüsen 28 dargestellt, bei denen der Zerstäubungsfluidstrahl aus einer zentralen Öffnung 29 und der Zusatzfluidstrahl aus einer ringförmigen Öffnung 30 austritt, welche die mittige Düse ringförmig umschließt. Alle diese Düsen sind in jeweils einen Druckknotenbereich der Stehwelle gerichtet.
  • Figur 5 zeigt die Anordnung mehrerer solcher in Figur 3 oder 4 dargestellten Einzel- oder Ringdüsen 25,26,28 zum Einleiten von Zerstäubungs- und Zusatzfluidströmen in die einzelnen Druckknotenbereiche der Stehwelle. Für jeden Druckknotenbereich sind wiederum mehrere Düsen 25,26,28 vorgesehen, wie in Figur 3 oder 4 dargestellt ist.
  • In Figur 6 ist eine Flachdüse 35 mit Einleitungen 36 für Zerstäubungsfluid und Einleitungen 37 für Zusatzgas dargestellt. Der Zusatzgasstrahl tritt beidseitig des mittig austretenden Zerstäubungsgasstrahls gezielt in den Zerstäubungsbereich der Ultraschallwelle ein.
  • Figur 7 zeigt die Stirnansicht 5 einer rechteckigen Sonotrode 1, für die die Flachdüse 35 besonders geeignet ist. Mit einer derartigen großflächigen Sonotrode läßt sich ebenfalls die Zerstäubungsleistung steigern. Dies trifft auch bei der Anordnung in Figur 8 zu, bei der in das von einer großflächigen, rechteckigen Sonotrode 1 erzeugte Ultraschallfeld mehrere in Reihen nebeneinander angeordnete Düsen 25, 26 beziehungsweise Ringdüsen 28 vorgesehen sind, die jeweils in den Ebenen der Druckknotenbereiche angeordnet sind.
  • Alle dargestellten Anordnungen können auch in einem Druckbehälter untergebracht werden, in dem eine Verdichtung der eingeleiteten Gasströme erfolgt, so daß die Energieübertragung in dem verdichteten Medium vergroßert wird.
  • Figur 9 zeigt eine weitere Maßnahme zur Verbesserung der Zerstäubungsleistung. Die Sonotrodenflächen 5 beziehungsweise 6 sind konkav ausgeführt, so daß die Energie im Knoten der Ultraschall-Stehwelle fokussiert und damit der Schallwechseldruck erhöht wird. Außerdem lassen sich die Sonotroden-Abstrahlflächen beschichten, um die Benetzbarkeit zu mindern. Dies kann beispielsweise durch Aufdampfen von BorNitrit, Titan-Nitrit oder durch Verchromen oder Eloxieren etc. erfolgen.

Claims (11)

  1. Vorrichtung zum Zerstäuben mindestens eines Strahls eines Zerstäubungsfluids, vorzugsweise geschmolzenen Metalls, mit mindestens einem Paar auf einer gemeinsamen Schwingerachse einander mit Abstand gegenüberliegenden Ultraschallschwingern, zwischen deren Sonotroden ein stehendes Ultraschallfeld erzeugt wird, in dessen Druckknotenbereichen das Zerstäubungsfluid mittels der Ultraschallenergie und eines unter Druck über eine Düse in das Ultraschallfeld geführten Zusatzfluids zerstäubt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Zerstäubungsfluidstrahl und mindestens ein Zusatzfluidstrahl über getrennte Düsen in den jeweiligen Druckknotenbereich des Ultraschallfeldes eingeleitet werden.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Zerstäubungsfluid in der Regel flüssig und das Zusatzfluid in der Regel gasförmig ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidmassendurchsätze durch die Düsen getrennt einstellbar und regelbar sind.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Einleiten des Zerstäubungsfluidstrahls und des Zusatzfluidstrahls jeweils getrennte Düsen (25, 26) vorgesehen sind.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Einleiten des Zusatzfluidstrahls Ringdüsen (28) vorgesehen sind, bei denen der Zusatzfluidstrahl ringförmig den zentralen Zerstäubungsfluidstrahl umschließend austritt.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Einleiten des Zerstäubungsfluidstrahls und des Zusatzfluidstrahls Flachdüsen (35) vorgesehen sind, bei denen der Zusatzfluidstrahl beidseits des Zerstäubungsfluidstrahls austritt.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (25, 26, 28, 35) für beide Fluidstrahlen längs des Umfangs zueinander versetzt angeordnet sind (Fig. 3,4,8).
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen in mehreren Knotenbereichen in Reihe nebeneinander angeordnet sind, die stirnseitig gesehen hintereinander liegend sowie gegeneinander verdreht in den Knotenbereichen angeordnet sind (Fig. 3,4,5).
  9. Vorrichtung zum Zerstäuben eines Strahls eines flüssigen Stoffs, vorzugsweise geschmolzenen Metalls mit mindestens einem Paar auf einer gemeinsamen Schwingerachse gegenüberliegenden Ultraschallschwingern, zwischen deren Sonotroden ein stehendes Ultraschall erzeugt wird, in dessen Druckknotenbereichen das Zerstäubungsfluid mittels der Ultraschallenergie und eines unter Druck über eine Düse in das Ultraschallfeld geführten Zusatzfluids zerstäubt wird, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß längs großflächiger einander zugekehrter Sonotrodenflächen mehrere Düsenanordnungen nebeneinander für jeden Knotenpunktbereich angeordnet sind, die stirnseitig gesehen hintereinander, sowie gegeneinander versetzt in den Knotenbereichen angeordnet sind (Fig. 8).
  10. Vorrichtung, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die SonotrodenAbstrahlflächen konkav ausgebildet sind.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonotrodenflächen beschichtet sind.
EP90122347A 1989-11-27 1990-11-22 Vorrichtung zum Zerstäuben von flüssigen und festen Stoffen, vorzugsweise geschmolzenen Metalls Expired - Lifetime EP0434980B1 (de)

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