Ansprüche:
Rotationszerstäuber (1 ) mit einem im wesentlichen teller- oder tassenförmi- gen Rotationskopf (5), der durch einen Motor (2) drehantreibbar ist, um über eine im Boden des Rotationskopf (5) mündende Fluidzuführleitung (7) zuführbares Fluid (8) radial zu zerstäuben, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationskopf (5) zum Ansaugen des Fluids (8) aus der Fluidzuführleitung (7) eine integrierte Fördereinrichtung (6) für das Fluid (8) umfasst, die am Boden des Rotationskopf (5) angeordnet ist, die Mündung der Fluidzuführlei- tung (7) umgibt und zum Erzeugen einer Differenz zwischen dem den Rotationskopf (5) umgebenden Druck und dem Druck in der Fluidzuführleitung (7) ein drehantreibbares Förderelement (11 ) aufweist.
2. Rotationszerstäuber nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Förderelement (11 ) mit dem Rotationskopf (5) drehgekoppelt ist.
3. Rotationszerstäuber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Förderelement (11 ) über den Motor (2) oder einen separaten Antrieb antreibbar ist.
4. Rotationszerstäuber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Förderelement (11) eine Gebläseeinheit ist.
5. Rotationszerstäuber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn- zeichnet, dass das Förderelement (11 ) konzentrisch zum Rotationskopf (5) angeordnet ist und sich von der gemeinsamen Drehachse radial auswärts erstreckende Schaufeln (12) aufweist.
6. Rotationszerstäuber nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (12) von der Drehachse beabstandet sind.
7. Rotationszerstäuber nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (12) zumindest entlang eines Abschnitts zwischen einem rotationsachsennahen und einem rotationsachsenfernen Punkt radial auswärts bogenförmig verlaufen.
8. Rotationszerstäuber nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördereinrichtung (6) zumindest teilweise und zumindest im Bereich des Förderelements (11 ) von einem feststehendem Hohlzylinder (17) umgeben ist.
9. Rotationskopf (5) für einen Rotationszerstäuber (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
10. Förderelement (11 ) für einen Rotationszerstäuber (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8. |
Rotationszerstäuber
Die Erfindung betrifft einen Rotationszerstäuber nach dem Oberbegriff des An- spruchs 1.
Derartige Rotationszerstäuber eignen sich allgemein zum Befeuchten und Kühlen von Luft. Sie finden bevorzugt Einsatz in Stallungen für Nutztiere. Dort ist insbesondere bei höheren Außentemperaturen eine Kühlung erforderlich. Der Einsatzbe- reich derartiger Rotationszerstäuber ist jedoch nicht auf Stallungen beschränkt. Vielmehr sind sie überall dort einsetzbar, wo Luft gekühlt werden muss, z.B. auch in Wohngebäuden.
Bei derartigen Rotationszerstäubern wird ein Luftmassenstrom mit einer gegebenen Temperatur und relativen Luftfeuchtigkeit unterhalb des Sättigungspunktes von φ « 100% durch Einbringen eines Wasservolumenstroms gekühlt und befeuchtet. Massgeblich für die Effizienz dieses Stoff- und Wärmeübergangsprozesses ist unter anderem die Feinheit des Tropfengrößenspektrums der in den Luftmassenstrom
eingebrachten Wassertropfen; üblicherweise charakterisiert durch den Sauter- durchmesser X 32 .
Bekannte Anlagen zum Quentchen speisen das Wasser (oder ein anderes Fluid) durch so genannte Einstoff- oder Zweistoff-Düsen, auch pneumatische Zerstäuber genannt, ein. Diesen Düsenbauarten haften weisen jedoch Nachteile auf. Zum einen erzeugen sie keine monodispersen Tropfen. Neben den gewünschten feinen Tropfen, die den Stoff- und Wärmeübergang begünstigen, finden sich im Spray dieser Zerstäuber auch gröbere Tropfen. Es liegt demzufolge ein relativ breites Tropfengrößenspektrum vor. Diese gröberen Tropfen weisen eine verhältnismäßig lange Lebensdauer auf und führen zum Teil zu Kondensationsproblemen in nachgeschalteten Bauteilen der Anlage. Insbesondere bei der Verwendung von Einstoff-Düsen gestaltet sich die Regelung des Wassermassenstroms problematisch. So führt eine Reduzierung des Düsenvordruckes im Interesse eines geringer werdenden Wassermassenstroms zu einer unerwünschten Tropfenspektrenvergröberung oder zum Versagen des Zerstäubers. Bei Zweistoff-Düsen wird Druckluft oder Druckgas benötigt. Hieraus resultieren ein sehr hoher Energieaufwand zur Zerstäubung und gegebenenfalls ein akustisches Problem. Sowohl bei Einstoff- als auch bei Zweistoff-Düsen kommt ferner die Gefahr hinzu, dass diese Zerstäuber entweder durch Verkalkung oder beim Verwenden nicht vorbehandelter Flüssigkeiten rasch verstopfen können.
Demgegenüber sind Rotationszerstäuber bei bestimmten Betriebsbedingungen und definierten geometrischen Abmessungen in der Lage, einen Wassermassenstrom in einem gewissen Regelbereich zu monodispersieren und sehr feine Tröpfchen zu zerstäuben. Die erzeugte Tröpfchengröße lässt sich sowohl über die Drehzahl eines Rotationskopf als auch über den Wassermassenstrom regeln. Die zum Ausbilden des Tropfen benötigte Energie wird ausschließlich auf mechanischem Weg durch den rotierenden, im wesentlichen teller- oder becherförmigen Rotationskopf auf die Flüssigkeit übertragen. Dadurch kann das zu zerstäubende Fluid nahezu drucklos aufgebracht werden. Ferner zeichnen sich Rotationszerstäuber durch ihre Selbstreinigung aus. Wird die Flüssigkeitsspeisung unterbrochen, so schleudert
sich der weiterhin rotierende Rotationskopf frei. Flüssigkeitsreste verbleiben nicht. Insbesondere bei der Anwendung in Luftkühleinrichtungen ist hierin ein zusätzlicher hygienischer Vorteil zu sehen.
Allerdings besteht bei derartigen Rotationszerstäubern das Problem, die zu zer- stäubende Flüssigkeit dem Rotationskopf zuzuführen.
Hierzu ist es aus der DE 43 26 714 A1 bekannt, die Flüssigkeit dem Rotationskopf mittels einer Dosierpumpe aus einem Flüssigkeitsbehälter zuzuführen. Die Dosierpumpe erfordert jedoch eine regelmäßige Wartung im Hinblick auf den Erhalt der technischen Funktion und dem Einhalten hygienischer Anforderungen.
Ferner wird bei dem aus der DE 43 26 714 A1 bekannten Rotationskopf ein Teil der versprühten Flüssigkeit durch einen Deckel aufgefangen. Damit diese Flüssigkeit nicht verloren geht, ist am Rotationskopf ein Auffang-Reservoir vorgesehen. Aus diesem Auffang-Reservoir wird die aufgefangene Flüssigkeit durch eine mitrotierende Pumpenscheibe erneut auf den Rotationskopf geschaufelt. Die Pumpenscheibe eignet sich jedoch nicht zum Fördern der zuzuführenden Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsbehälter. Eine Dosierpumpe ist nach wie vor erforderlich.
Eine derartige Dosierpumpe ist bei der GB 2 164 270 A in eine Zuführleitung für die zu versprühende Flüssigkeit integriert. Die Dosierpumpe umfasst dabei einen mit dem Rotationskopf rotationsgekoppelten Propeller. Allerdings ist die Rotationsverbindung technisch aufwändig. Zudem ist der Propeller nur schwer zu reinigen. Für eine Wartung muss zudem die Rotationsvorrichtung zerlegt werden.
Alternativ zu einer Pumpe ist es auch bekannt, die zu versprühende Flüssigkeit ü- ber einen geodätischen Druck dem Rotationskopf zuzuführen. Hierzu ist beispielsweise in der GB 2 164 872 A ein Flüssigkeitsbehälter oberhalb des Sprühkopfs angeordnet. Die zu versprühende Flüssigkeit gelangt unter Schwerkrafteinwirkung über eine Düse auf die Rückseite des rotierenden Rotationskopfs und wird von der Rückseite in den rotierenden Rotationskopf gesaugt und versprüht. Nachteilig ist
dabei, dass der Flüssigkeitsbehälter über dem Rotationskopf angeordnet werden muss.
Aus der GB 2054413 A ist ein Rotationskopf bekannt, bei dem Fluid unter Einwirkung der Schwerkraft aus einem oberhalb des Rotationskopfes angeordneten FIu- idbehälter zum Rotationskopf gelangt. Die Zufuhr des Fluids aus dem Fluidbehälter zum Rotationskopf wird dabei hydrostatisch gesteuert, d.h. ein- oder ausgeschaltet.
Aus der US 4591096 A ist ein Rotationszerstäuber bekannt, bei dem ein trichterförmiges Element in das zu zerstäubende Fluid eingesetzt und derart in eine Dreh- bewegung versetzt wird, dass an der Innenseite des trichterförmigen Elements das zu zerstäubende Fluid infolge der Zentrifugalkraft nach oben steigt und an einer Abrisskante zerstäubt wird.
Aus der DE 3117045 A1 ist ein Rotationszerstäuber bekannt, bei dem zu zerstäu- bendes Fluid durch eine Schraube gefördert wird.
Bei dem aus der US 4235377 A bekannten Rotationszerstäuber befindet sich eine Fördereinrichtung am freien Ende einer Fluidzuführleitung.
Aus der US 5246167 A ist ein Rotationszerstäuber bekannt, bei dem zu zerstäubendes Fluid auf einen Rotationskopf aufgespritzt wird.
Aus der US 5782232 A ist ein Rotationszerstäuber bekannt, bei dem ein im Wesentlichen tellerförmiger Rotationskopf durch einen Motor drehantreibbar ist, um über eine im Boden des Rotationskopfes mündende Fluidzuführleitung zuführbares Fluid ohne Fördereinrichtung zu zerstäuben.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Rotationszerstäuber nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, der einfach und kostengünstig her- stellbar, wartungsarm und hygienisch ist und zudem keiner zusätzlichen Förderorgane bedarf sowie keinen baulichen Beschränkungen unterworfen ist.
Diese Aufgabe wird entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Demnach wird ein im wesentlichen teller- oder tassenförmiger Rotationszerstäuber mit einem Rotationskopf geschaffen, der zum Ansaugen eines zu zerstäubenden Fluids aus einer Fluidzuführleitung eine integrierte Fördereinrichtung aufweist, am Boden des Rotationskopfs angeordnet ist, die Mündung der Fluidzuführleitung umgibt und zum Erzeugen einer Differenz zwischen dem den Rotationskopf umgebenden Druck und dem Druck in der Fluidzuführleitung ein drehantreibbares Förderelement aufweist.
Durch die Druckdifferenz, die durch das im Rotationskopf integrierte Förderelement aufgebaut wird, kann sowohl auf einen geodätischen Druck als auch auf eine Pumpe verzichtet werden. Der Rotationszerstäuber ist vielmehr in der Lage, bei seinem normalen Betrieb Fluid aus einem unterhalb des Rotationskopfs angeordneten Behälter anzusaugen, wobei sich eine strömungstechnisch vorteilhafte Bauweise er- gibt. Der Rotationszerstäuber ist dabei einfach und kostengünstig herstellbar und sehr kompakt. Das Förderlement ist wie auch der Rotationskopf selbstreinigend und damit im wesentlichen wartungsfrei. Im Fall einer erforderlichen Reparatur ist keine aufwändige Demontage erforderlich. Schließlich ergibt sich einfache Montage des Förderelements am Boden des Rotationskopfs.
Ist das Förderelement mit dem Rotationskopf drehgekoppelt, muss kein separater Antrieb hierfür vorgesehen werden. Das Förderelement kann hierzu einfach mit dem Rotationskopf, zweckmäßigerweise am Boden des Rotationskopfs, verschraubt werden. Die Förderung des Fluids beginnt in dieser Ausführungsform selbsttätig, wenn der Rotationskopf in Rotation versetzt wird, und endet ebenso selbsttätig, wenn die Rotation des Rotationskopfs endet. Eine Steuerung ist nicht erforderlich.
Das Förderelement kann jedoch z.B. mittels eines Getriebes über den Motor oder gegebenenfalls über einen separaten Antrieb antreibbar sein. Damit ist eine Diffe-
renzdrehzahl zwischen dem Rotationszerstäuber und dem Förderelement einstellbar.
Im einfachsten Fall ist das Förderelement eine Gebläseeinheit, wie sie unter anderem auch in Radialgebläsen verwendet wird. Dadurch kann kostengünstig auf be- reits bestehende Bauteile zugegriffen werden. Zweckmäßigerweise ist das Förderelement jedoch für die Verwendung im Rotationszerstäuber strömungsoptimiert.
Vorzugsweise ist das Förderelement konzentrisch zum Rotationskopf angeordnet und weist sich von der gemeinsamen Drehachse radial auswärts erstreckende Schaufeln auf. Ein derartiges Förderelement ist einfach herstellbar und strömungstechnisch vorteilhaft.
Die Schaufeln des Förderelements können von der Drehachse beabstandet sein. Hierdurch steht der mittlere Bereich für eine weitere Verwendung frei, z.B. für eine Verschraubung, die dann mittels einer einzigen Schraube realisierbar ist.
Die Schaufeln können zumindest entlang eines Abschnitts zwischen einem rotationsachsennahen und einem rotationsachsenfernen Punkt radial auswärts bogenförmig verlaufen. Durch die zumindest abschnittsweise Bogenform ist eine hohe Druckdifferenz im wesentlichen turbulenzfrei aufbaubar.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Fördereinrichtung zumindest teilweise und zumindest im Bereich des Förderelements von einem feststehendem Hohlzylinder umgeben ist. Der Hohlzylinder verstärkt den Saugeffekt und damit den förderbaren Fluidmassenstrom. Dies ist auf die am feststehenden Hohlzylinder auftretenden Wandreibungseffekte, die sogenannte Prandl'sche Wandreibung, zurückzuführen.
Der Rotationskopf und das Förderelement sind von eigenständiger erfinderischer Bedeutung.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und den abhängigen Ansprüchen. Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Rotationszerstäuber im Schnitt. Fig. 2 zeigt ein Förderelement in Draufsicht. Fig. 3, 4 und 5 zeigen jeweils weitere Förderelemente in Draufsicht.
Der in Fig. 1 dargestellte Rotationszerstäuber 1 umfasst einen Motor 2, der an einer Halterung 3 drehfest gehalten ist und eine Antriebswelle 4 antreibt, die an ihrem dem Motor 2 abgewandten Ende mit einem hier tassenförmigen Rotationskopf 5 fest verbunden ist. Der Rotationskopf 5 weist eine Fördereinrichtung 6 auf, die über eine Fluidzuführleitung 7 zu zerstäubendes Fluid 8, etwa Wasser, aus einem Behälter 9 ansaugt und dazu die Mündung der Fluidzuführleitung 7 im Boden des Rotati- onskopfs 5 umgibt. Das angesaugte Fluid 8 wird durch die Rotation des Rotationskopfs 5 an dessen Innenwand nach oben geschleudert und am Rand 10 in sehr feine Tropfen zerstäubt.
Vorzugsweise umfasst die Födereinrichtung 6 ein bodenseitig fest mit dem Rotati- onskopf 5 verschraubtes Förderelement 11 mit Schaufeln 12, vgl. Fig. 2. Hierzu können im Förderelement 11 Aussparungen 13 für eine Verschraubung mit dem Rotationskopf 5 vorgesehen sein. Die mittige Aussparung 13 dient jedoch zweckmäßigerweise der Durchführung der Fluidzuführleitung 7, wenn das Förderelement 11 über eine Trägerplatte 14 flächig auf dem Boden des Rotationskopfs 5 aufliegt; vorzugsweise ist die Trägerplatte dem Boden des Rotationskopfs 5 jedoch abgewandt.
Die Schaufeln 12 können zur Rotationsachse hin beabstandet sein, vgl. Fig. 3, die zudem beispielhaft vier Schaufeln 12 zeigt. Die Schaufeln 12 sind zweckmäßiger- weise wie dargestellt zumindest abschnittsweise gebogen. Der Radius wird entsprechend den Strömungsverhältnissen berechnet. Die Schaufeln 12 können wie in
Fig. 2 und 3 dargestellt auf einer Trägerplatte 14 montiert sein oder, vgl. Fig. 4, sich von einem voll- oder hohlzylinderförmigen Trägerstück 15 radial auswärts erstrecken. In Fig. 4 sind die Schaufeln 12 zudem beispielhaft geknickt dargestellt. Die Schaufeln 12 können zudem mit flachem Winkel relativ zur Tangente auch in einem Ringabschnitt 16 angeordnet sein, vgl. Fig. 5.
Bei Betrieb des Motors 2 wird der Rotationskopf 5 in Rotation versetzt. Die Fördereinrichtung 6, die entweder mit gleicher Drehzahl mitgedreht wird oder durch einen separaten Antrieb mit separater Steuerung mit abweichender Drehzahl ebenfalls in Rotation versetzt wird, saugt Fluid, z.B. Wasser, aus dem Behälter 9 an. Je nach konstruktiver Ausgestaltung des Rotationszerstäubers 1 , insbesondere der Drehzahl des Rotationskopfs 5, tritt am Boden des Rotationskopfs 5 entweder einphasig Flüssigkeit oder zweiphasig ein Luft/Flüssigkeitsgemisch aus, welches zu sehr feinen und monodispersen Tropfen zerteilt wird. Ist ein stationärer Hohlzylinder 17 vorgesehen, der das Förderelement 11 zumindest teilweise umgibt, erhöht sich die erzielbare Druckdifferenz. Der Hohlzylinder 17 erstreckt sich dabei zweckmäßigerweise wie dargestellt von der Trägerplatte 3 in Richtung auf das Förderelement 11.
Der geförderte Fluidmassenstrom, sowohl ein- als auch zweiphasig, ist einfach ein- stellbar. Dies kann grundsätzlich erfolgen durch gezielte Wahl der konstruktiven und strömungstechnischen Ausgestaltung der Fördereinrichtung 6, der gegebenenfalls relative Drehzahl der Fördereinrichtung 6, der geodätischen Höhe zwischen der Fördereinrichtung 6 und dem Behälter 9, sowie des Strömungswiderstands in der Fluidzuführleitung 7, also Strömungsfläche, Länge der Fluidzuführleitung 7, re- gelbare Drosseleinrichtungen.
Bei einem tassenförmigen Rotationskopf 5 in Verbindung mit der Ansaugung eines zweiphasigen Gemisches tritt eine Besonderheit auf. Aufgrund der auf das zwei- phasige Gemisch einwirkenden Zentrifugalbeschleunigung kommt es im Inneren des Bechers zur Trennung der beiden Fluidphasen. Dies bedeutet, dass trotz der Beaufschlagung des Bechers mit einem zweiphasigen Gemisch bereits in der Nähe
des Becherbodens an der Abströmkante ein einphasiges Fluidsystem vorliegt. Somit ist gewährleistet, dass der gewünschte Fadenzerfall der zu zerstäubenden Flüssigkeit und hieraus resultierend ein nahezu monodisperses Tropfengrößenspektrum erzeugt wird.
Bezugszeichenliste:
1 Rotationszerstäuber
2 Motor 3 Halterung
4 Antriebswelle
5 Rotationskopf
6 Fördereinrichtung
7 Fluidzuführleitung 8 Fluid
9 Behälter
10 Rand
11 Förderelement
12 Schaufel 13 Aussparung
14 Trägerplatte
15 Trägerstück
16 Ringabschnitt
17 Hohlzylinder