DE19617924A1 - Piezoelectric excitation of sprayed fluid close to nozzle exits - Google Patents
Piezoelectric excitation of sprayed fluid close to nozzle exitsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, welches zur Schwingungsanregung der Precurserflüssigkeiten bei der Herstellung von sphärischen Granulaten dient. Die Schwingungsanregung führt zur Ausbildung von Tropfen der aus einer oder mehreren Düsen oder koaxialen Düsen abgegebenen flüssigen Materialien.The invention relates to a method which is used to excite vibrations Precurser liquids used in the manufacture of spherical granules. The Vibration excitation leads to the formation of drops of one or more Nozzles or coaxial nozzles dispensed liquid materials.
Unmittelbar vor den Düsen oder zumindest in kurzer Entfernung der Düsenvorrichtung wird der zu den Düsen hinfließender Flüssigkeitsstrom direkt in Schwingungen versetzt.Immediately in front of the nozzles or at least a short distance from the nozzle device the liquid flow flowing to the nozzles vibrates directly.
Die Ausbildung der Tropfen wird durch die direkte Schwingungsanregung auf die zu vertropfende Flüssigkeit bewirkt. Die die Flüssigkeit umhüllenden Behältnisse, Rohrleitungen und Düsen bleiben dabei in Ruhe.The formation of the drops is due to the direct vibration excitation towards the dripping liquid causes. The containers enveloping the liquid, Pipelines and nozzles remain at rest.
Die direkte Einbringung der Schwingung geschieht in verschiedener Weise:The direct introduction of the vibration occurs in different ways:
- - durch mechanische Schwingungsübertragung eines in Schwingung versetzten elastischen Körpers, der als Rohrzwischenstück in der Zuführleitung zu der Düse oder den Düsen angeordnet ist, der als elastische Membran in die Düsenanordnung oder in die Zuführleitung kurz vor der Düsenanordnung eingebaut ist, der als elastisch verformbarer Hohlkörper bzw. Tauchkolben in die Düsenanordnung eingeführt ist,- set in motion by mechanical vibration transmission elastic body, which acts as a pipe adapter in the feed line to the nozzle or the nozzles is arranged, which as an elastic membrane in the nozzle arrangement or in the Feed line is installed just before the nozzle arrangement, which as an elastically deformable Hollow body or plunger is inserted into the nozzle arrangement,
- - durch Einbringung eines Piezokristalls oder einer Ultraschallsonde in die Düsenanordnung oder in die Zuführleitung kurz vor der Düsenordnung.- By inserting a piezo crystal or an ultrasound probe into the Nozzle arrangement or in the feed line just before the nozzle order.
Die Anordnung der schwingungsübertragenden Vorrichtung kann je nach zu vertropfenden flüssigem Materal horizontal, vertikal oder schräg angeordnet sein.The arrangement of the vibration-transmitting device can be depending on which is to be dripped liquid material can be arranged horizontally, vertically or at an angle.
Die ausgebildeten Tropfen fallen in einen luftdurchströmten, gasgefüllten oder gasdurchströmten Raum von oben nach unten. Die Tropfen können auch seitlich oder von unten in ein flüssiges Medium, welches eine kleinere Dichte als die zu vertropfende Flüssigkeit aufweist, mit leichtem Überdruck, der mindestens gleich oder größer als der statische Druck der Flüssigkeitssäule ist, eingetropft werden.The drops formed fall into an air-filled, gas-filled or gas-flowed space from top to bottom. The drops can also be from the side or from below in a liquid medium, which has a lower density than that to be dripped Has liquid, with a slight excess pressure, which is at least equal to or greater than that static pressure of the liquid column is to be dropped.
Die ausgebildeten Tropfen werden in dem luft- oder gasdurchströmten Raum durch Kühlung oder durch Verdampfung eines in den Tropfen enthaltenden Lösungsmittels verfestigt. Eine weitere Verfestigung in dem gasdurchströmten Raum ist durch chemische Reaktion des Gases mit den Tropfen erzielbar. Ist der Raum in dem die ausgebildeten Tropfen hindurchfallen mit einer Flüssigkeit gefüllt oder durchströmt, so werden die Tropfen durch chemische Reaktion oder auch durch Abkühlung in dieser Flüssigkeit gehärtet.The drops formed are in the air or gas flow through Cooling or by evaporation of a solvent contained in the drops solidified. Another solidification in the gas-flowed area is by chemical Reaction of the gas with the drops can be achieved. Is the room in which the trained Droplets fall through or are filled with a liquid Drops by chemical reaction or by cooling in this liquid hardened.
Verfahren zur Herstellung von sphärischen Granulaten unter Verwendung von Schwingungsanregungen sind hinreichend bekannt.Process for the preparation of spherical granules using Vibration excitations are well known.
In DE 43 38 212 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben mit der sphärische Granulate herstellbar sind. Dabei wird die Düseneinrichtung selbst in Schwingungen versetzt, um die Ausbildung von gleichmäßigen Tropfen zu bewirken. Die Düsenanordnungen sind bei Anordnungen, die eine Vielzahl von Düsenbohrungen aufweisen, großvolumig und mit hoher Masse behaftet. Die Schwingungsanregung muß daher mit hoher Schwingungsleistung, z. B. mit großen schweren elektromagnetischen Schwingern, eingebracht werden. DE 43 38 212 describes a method and a device with the spherical Granules can be produced. The nozzle device itself vibrates offset to cause the formation of uniform drops. The Nozzle assemblies are for assemblies that have a variety of nozzle bores have, large volume and high mass. The vibration excitation must therefore with high vibration performance, e.g. B. with large heavy electromagnetic Vibrations.
Nach DE 30 35 331 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der der Düsenkopf zylindrisch geformt ist und in diesen ein fest mit einem Vibrator verbundener Stößel hineinragt.According to DE 30 35 331 a device is known in which the nozzle head is cylindrical and a plunger firmly connected to a vibrator projects into it.
Der Stößel wird auf einer ringförmigen Führungsfläche, die mit einem O-Ring abgedichtet ist, auf und ab bewegt. Diese Schwingungsbewegung versetzt dann die dem Düsenkopf zugeführte Flüssigkeit in Schwingungen, welche dann die Tropfenausbildung bewirkt.The plunger is on an annular guide surface that is sealed with an O-ring is moving up and down. This oscillatory movement then displaces the nozzle head supplied liquid in vibrations, which then causes the drop formation.
Diese Vorrichtung führt zu einer hohen Beanspruchung des O-Rings insbesondere dann wenn die zu vertropfende Flüssigkeit hohe Temperaturen aufweist wie dies bei Schmelzen von Metallen, Metalloten oder hochschmelzenden Salzen, organischen Verbindungungen und Kunststoffen der Fall sein kann. Diese Temperaturen liegen dann oft höher als die maximale Beständigkeitstemperatur eines O-Rings z. B. bei Metalloten mit Schmelzpunkten von 400°C. Neben der Temperaturempfindlichkeit führt die hin und hergehende Abrollbewegung des O-Rings zu einem schnellen Verschleiß.This device then leads to high stress on the O-ring, in particular then if the liquid to be dripped has high temperatures, as is the case with melts of metals, metal notes or high-melting salts, organic compounds and plastics can be the case. These temperatures are often higher than that maximum resistance temperature of an O-ring z. B. with metal notes with melting points of 400 ° C. In addition to temperature sensitivity, the back and forth leads Rolling movement of the O-ring for quick wear.
Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Vorrichtung zu den eingangs genannten Arten so weiter zu bilden, daß die Schwingungsanregung kurz vor dem Eintritt in die Düsenöffnungen direkt auf die zu vertropfende Flüssigkeit einwirkt und diese in gleichmäßige Schwingungen versetzt, um eine gleichmäßige Teilchenform und -größe sowie hohe Durchsätze ermöglichen, ohne daß verschleißanfällige Komponenten sowie leistungsstarke Schwingungserreger von hohem Gewicht verwendet werden müssen.The present invention is based on the problem of a device for the input mentioned types so that the vibration excitation shortly before entering the nozzle openings act directly on the liquid to be dripped and in even vibrations offset to a uniform particle shape and size as well enable high throughputs without components that are susceptible to wear and tear powerful vibration exciters of high weight must be used.
Dieses Problem wird gemäß der Erfindung verfahrensmäßig dadurch gelöst, daß kurz vor dem Eintritt der zu vertropfenden Flüssigkeit ein elastisches temperaturbeständiges Element in die Düsenanordnung oder die Zuführleitung eingesetzt wird auf welches eine Schwingung direkt oder auch pneumatisch indirekt über ein Luft- oder Gaspolster einwirkt. Das so in Schwingungen versetzte elastische Element überträgt diese Schwingung direkt auf die zu vertropfendene Flüssigkeit und bewirkt die Ausbildung von gleichmäßigen und gleichgroßen Tropfen.This problem is solved procedurally according to the invention in that just before an elastic temperature-resistant element when the liquid to be dripped enters is inserted into the nozzle arrangement or the feed line on which an oscillation acts directly or pneumatically indirectly via an air or gas cushion. That so in Vibrated elastic element transmits this vibration directly to the dripping liquid and causes the formation of uniform and equal size Drops.
Das elastische Element kann aus einem elastisch verformbar Tauchkolben bestehen, dessen Seitenwände von dem am Boden des Tauchkolbens mit einer festen Verbindung angebrachten Vibrators hin und her gedehnt werden. Der Tauchkolben kann auch von einem pneumatischen Schwingelement hin und her gedehnt oder rhythmisch aufgeblasen werden. Die Vorrichtung zur Schwingungsanregung kann auch in Form eines zur Flüssigkeit hin verschlossenen Rohres, dessen Seitenwände gewellt und elastisch verformbar sind, ausgebildet werden. Wird dieser Zylinder mit faltenartig ausgebildeten Seitenwänden zum Beispiel am Boden mit einem Stößel, der fest an einem elektromagnetischen Schwinger angeschlossen ist in Bewegung versetzt, so bewirkt dieser Atmungsvorgang eine Schwingung in der zu vertropfende Flüssigkeit.The elastic element can consist of an elastically deformable plunger, the Side walls of the one at the bottom of the plunger with a fixed connection attached vibrators are stretched back and forth. The plunger can also be from one pneumatic oscillating element stretched back and forth or inflated rhythmically. The device for vibration excitation can also be in the form of a liquid closed tube, the side walls of which are corrugated and elastically deformable, be formed. Will this cylinder with fold-like side walls Example on the floor with a plunger that is firmly attached to an electromagnetic vibrator connected is set in motion, this breathing process causes a Vibration in the liquid to be dripped.
Von einem Schwingungserreger ist bei dieser vorgenannten Anordnung nur das elastische Element und das kleine Volumen an zu vertropfender Flüssigkeit, welches sich in diesem Teil der Düsenanordnung gerade befindet, in Schwingungen zu versetzen. Die große mit hoher Masse behaftete Düsenordnung mit Vielfachdüsenplatte verbleibt in Ruhe.In this arrangement, only the elastic one is of a vibration exciter Element and the small volume of liquid to be dripped, which is in this Part of the nozzle arrangement is just to vibrate. The big one with high-order nozzle arrangement with multiple nozzle plate remains at rest.
Hierdurch ist es möglich mit einem Schwingungserreger mit z. B. einem Sinus-Kraftvektor von 17,8N eine Düsenanordnung mit bis zu 300 Einzeldüsen zu betreiben statt mit einem Sinus-Kraftvektor von 310N bei einer Schwingungsanregung der gesamten Düsenanordnung. This makes it possible with a vibration exciter with z. B. a sine force vector of 17.8N to operate a nozzle arrangement with up to 300 individual nozzles instead of one Sine force vector of 310N with vibration excitation of the whole Nozzle arrangement.
Eine zweite Art der Ausführung des elastischen in der Düsenanordnung oder in der Zuführung angebrachten Elementes kann aus einer eingesetzten elastischen Membran bestehen, die von außen von einem Schwingungsanreger direkt in Schwingungen versetzt wird.A second type of execution of the elastic in the nozzle arrangement or in the The attached element can be fed from an inserted elastic membrane consist of vibrating directly from the outside by a vibration exciter becomes.
Die Zuführungsleitung für die zu vertropfenden Flüssigkeit kann in einer weiteren Ausführung mit einem elastischen Rohrstück versehen sein, welches die Schwingung direkt auf die durchströmende Flüssigkeit überträgt.The feed line for the liquid to be dripped can be in another Execution be provided with an elastic pipe section, which the vibration directly transfers to the flowing fluid.
Eine vorteilhafte Weiterbildung ist auch dadurch gegeben, daß piezoelektrische Umformer oder elektro-akustische Wandler im hörbaren oder Ultraschallbereich fest in der Düsenanordnung oder der Zuführleitung eingebaut sind und somit die Schwingungsanregung direkt in die zu vertropfende Flüssigkeit einbringen.An advantageous further development is given by the fact that piezoelectric transducers or electro-acoustic transducers in the audible or ultrasonic range firmly in the Nozzle arrangement or the feed line are installed and thus the Introduce vibration excitation directly into the liquid to be dropped.
Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele ergeben weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung, die - jeweils für sich oder in Kombination - als erfinderisch anzusehen sind.The following exemplary embodiments provide further advantages and features of the Invention, which are to be regarded as inventive, either individually or in combination.
Eine Düsenanordnung wird mit einem zylindrischen, elastischem Tauchkolben, wie in Fig. 1 dargestellt, versehen. Die seitlichen Wände (7) des Tauchkolbens sind aus elastischem Kunststoffmaterial ausgebildet, der Boden (6) ist fest mit dem Stößel (9) eines Schwingungserregers (8) verbunden. Die seitlichen Wände (7) werden durch die Schwingung des Stößels (9) hin und her bewegt und übertragen die Schwingung auf das Flüssigkeitsvolumen (5) in der Düsenanordnung. Die oszillierende Flüssigkeit tritt durch die mit Düsenöffnungen (3) versehene Düsenplatte (3) und erzeugt die gleichförmigen Tropfen (4).A nozzle arrangement is provided with a cylindrical, elastic plunger, as shown in FIG. 1. The side walls ( 7 ) of the plunger are made of elastic plastic material, the bottom ( 6 ) is firmly connected to the plunger ( 9 ) of a vibration exciter ( 8 ). The side walls ( 7 ) are moved back and forth by the vibration of the plunger ( 9 ) and transmit the vibration to the liquid volume ( 5 ) in the nozzle arrangement. The oscillating liquid passes through the nozzle plate ( 3 ) provided with nozzle openings ( 3 ) and produces the uniform drops ( 4 ).
Eine Anordnung wie in Beispiel 1 wobei der Tauchkolben aus einem wellenförmigen und metallischem Element besteht, der bis 800°C temperaturbeständig ist.An arrangement as in Example 1 wherein the plunger consists of a wave-shaped and metallic element that is temperature resistant up to 800 ° C.
Die Düsenanordnung (Fig. 2) ist mit einer elastischen Kunststoffmembran (6) versehen, welche fest mit dem Stößel (7) des Schwingerregers (8) verbunden ist. Durch die Oszillation der Membran wird die Flüssigkeit, die bei (1) in die Düsenordnung eintritt, in Schwingungen versetzt (5) und kann zur Tropfenausbildung (4) durch die Düsenöffnung (2) der Düsenplatte (3) treten.The nozzle arrangement ( Fig. 2) is provided with an elastic plastic membrane ( 6 ) which is firmly connected to the plunger ( 7 ) of the vibration exciter ( 8 ). The oscillation of the membrane causes the liquid that enters the nozzle arrangement at ( 1 ) to vibrate ( 5 ) and can pass through the nozzle opening ( 2 ) of the nozzle plate ( 3 ) to form drops ( 4 ).
Die Schwingungsanregung wird wie bei Beispiel 3 ausgeführt, jedoch besteht die elastische Membran aus einer gewelltem Metallmembran, die temperaturstabil bis 1000°C ist. The vibration excitation is carried out as in Example 3, but there is elastic Membrane made of a corrugated metal membrane that is temperature stable up to 1000 ° C.
In die Zuführungsleitung (1) (Fig. 3) zur Düsenanordnung ist ein elastisches Rohrstück (2) aus hochtemperaturstabilem Kunststoff eingebaut, welches von außen mit einem pneumatischen Schwingungserreger (3) in Schwingungen versetzt wird. Die in Schwingung versetzte Flüssigkeit (4) tritt aus den Düsenöffnungen (5) der Düsenplatte (6) aus und bildet die gewünschten Tropfen (7).In the feed line ( 1 ) ( Fig. 3) to the nozzle arrangement, an elastic pipe section ( 2 ) made of high-temperature stable plastic is installed, which is vibrated from the outside with a pneumatic vibration exciter ( 3 ). The vibrated liquid ( 4 ) emerges from the nozzle openings ( 5 ) of the nozzle plate ( 6 ) and forms the desired drops ( 7 ).
Ein elastisches Halbrohrstück wird analog wie bei Beispiel 5 in die Zuführungsleitung eingebaut und mit einem fest verbundenen Schwingungserreger in Schwingungen versetzt.An elastic half-pipe piece is introduced into the feed line analogously to example 5 installed and vibrated with a firmly connected vibration exciter.
Wie Beispiel 1, 3, 5 und 6 wobei des elastische Rohrelement aus einem kohlenstoffaserverstärkten Elastomerkunststoff besteht.Like example 1, 3, 5 and 6, the elastic tubular element being made of one carbon fiber reinforced elastomer plastic.
Wie Beispiel 1, 3 und 5 wobei eine Ultraschallsonde direkt an die Düsenordnung statt über elastische Elemente zur direkten Schwingungserregung Verwendung findet.As examples 1, 3 and 5 with an ultrasound probe placed directly on the nozzle arrangement instead elastic elements for direct vibration excitation is used.
Wie Beispiel 8 wobei ein piezoelektrischer Umformer als direkter Schwingungserreger eingesetzt wird.As example 8, but with a piezoelectric transducer as a direct vibration exciter is used.
Die Schwingungsanregung bei einer Düsenanordnung mit koaxialen Doppeldüsen (Fig. 4) kann durch die Anregung von getrennten elastischen Elementen (1, 2) durchgeführt werden, wobei diese koaxial angeordnet sind und das innere elastische Element (2) wie bei den Beispielen 1 und 2 ausgeführt ist. Das äußere elastische Element (1) ist ringförmig ausgebildet. Die Schwingungsanregung geschieht durch einen Schwinganreger (7), um die exakt gleiche rotationssymmetrische Schwingung in den Flüssigkeitsstrahlen bzw. -tropfen zu erzeugen. Die oszillierende innere Flüssigkeit (3), die bei (9) in die Düsenanordnung eintritt, bildet durch die innere Düse (5) den inneren Teil des sphärischen Granulates. Die oszillierende äußere Flüssigkeit (4) tritt bei (8) in die Düsenanordnung ein, um bei (6) durch den äußeren Ringspalt den koaxialen Tropfen zu bilden. Die Düsenanordnung (Fig. 4) ist als Doppelkammersystem ausgebildet und zeigt in Fig. 4 nur zwei Doppeldüsen, um das Prinzip zu verdeutlichen. The vibration excitation in a nozzle arrangement with coaxial double nozzles ( Fig. 4) can be carried out by the excitation of separate elastic elements ( 1 , 2 ), which are arranged coaxially and the inner elastic element ( 2 ) as in Examples 1 and 2 is. The outer elastic element ( 1 ) is annular. The vibration is excited by a vibration exciter ( 7 ) in order to generate the exact same rotationally symmetrical vibration in the liquid jets or drops. The oscillating inner liquid ( 3 ), which enters the nozzle arrangement at ( 9 ), forms the inner part of the spherical granules through the inner nozzle ( 5 ). The oscillating outer liquid ( 4 ) enters the nozzle arrangement at ( 8 ) in order to form the coaxial drop at ( 6 ) through the outer annular gap. The nozzle arrangement ( FIG. 4) is designed as a double-chamber system and shows only two double nozzles in FIG. 4 in order to clarify the principle.
Für eine Düsenanordnung mit koaxialen Doppeldüsen wurde für die Schwingungsanregung eine analoge Anordnung wie in Fig. 2 und 3 gezeigt verwendet. Die beiden Düsenkammern sind dann mit getrennten elastischen Elementen (Membranen, Rohrstücken, bzw. Rohrteilstücken) versehen, die von einem Schwingungserreger versorgt werden.For a nozzle arrangement with coaxial double nozzles, an analog arrangement as shown in FIGS. 2 and 3 was used for the vibration excitation. The two nozzle chambers are then provided with separate elastic elements (membranes, pipe sections or pipe sections) that are supplied by a vibration exciter.
Die in Fig. 3 gezeigte Anordnung eignet sich wegen der durch die Schwingung des elastischen Rohrstückes erzeugten Pumpwirkung für eine seitliche Düsenanordnung (Fig. 5) zum Hineintropfen in eine zweite Flüssigkeit (8), in der die aus den Düsen (5) austretenden Tropfen für den Fall, daß die zweite Flüssigkeit eine geringere Dichte als das Tropfenmaterial besitzt, gravitationsbedingt nach unten fallen (6). Bei zu vertropfenden Materialien, deren Dichte kleiner als die der zweiten Flüssigkeit ist, steigen die Tropfen nach oben (7). Um die Pumpwirkung zu erzeugen, ist das elastische Rohrstück zu einer gerichteten Wellenform ausgebildet. Die in die Düsenanordnung eintretende zu vertropfende Flüssigkeit (2) wird mit einem gleich großen oder leicht höheren Druck als der durch die Flüssigkeitssäule der zweiten Flüssigkeit (8) hervorgerufenen hydrostatischen Druck beaufschlagt. Dieser Druck wird durch die Pumpwirkung des wellenförmigen, elastischen Elementes bei Schwingungsanregung (3) leicht erhöht, so daß die in Schwingungen versetzte Flüssigkeit (4) mit leichtem Überdruck in die Zone mit der zweiten Flüssigkeit (8) eingesprüht wird.The arrangement shown in Fig. 3 is suitable because of the pumping action generated by the vibration of the elastic tube piece for a lateral nozzle arrangement ( Fig. 5) for dripping into a second liquid ( 8 ) in which the drops emerging from the nozzles ( 5 ) for in the event that the second liquid has a lower density than the drop material, fall down due to gravity ( 6 ). In the case of materials to be dripped, the density of which is lower than that of the second liquid, the drops rise upwards (7). In order to produce the pumping action, the elastic tube piece is designed in a directional wave shape. The liquid ( 2 ) to be dripped entering the nozzle arrangement is subjected to a pressure of the same size or slightly higher than the hydrostatic pressure caused by the liquid column of the second liquid ( 8 ). This pressure is slightly increased by the pumping action of the wave-shaped, elastic element in the event of vibration excitation ( 3 ), so that the liquid ( 4 ) set in vibration is sprayed into the zone with the second liquid ( 8 ) with a slight overpressure.
Die Anordnung wurde wie bei Beispiel 12 gewählt, wobei die Düsenanordnung unten an der Flüssigkeitssäule angebracht ist und die zweite Flüssigkeit eine höhere Dichte als die zu vertropfende Flüssigkeit hat.The arrangement was chosen as in Example 12, with the nozzle arrangement at the bottom of the Liquid column is attached and the second liquid has a higher density than that dripping liquid.
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