Ultraschallvernebler – Anwendungen, Grenzen und Alternativen


Ultraschallvernebler, auch Ultraschall-Zerstäuber genannt, zählen zu den mechanischen Zerstäubern. Das bedeutet, dass der zu zerstäubenden Flüssigkeit unmittelbar Energie durch einen Schwinger zugeführt wird. Ein nennenswerter Differenzdruck für die Flüssigkeit oder ein zusätzliches Druckgas ist für den eigentlichen Zerstäubungsvorgang also nicht erforderlich.


Funktionsprinzip des Ultraschallverneblers

Ein dünner Flüssigkeitsfilm wird auf einem Schwinger ausgebreitet. Dieser Schwinger erzeugt elektro-piezotische Schwingungen. Dabei entstehen Kapillarwellen auf der Flüssigkeitsoberfläche. Es entsteht ein schachbrettartiges Muster von Flüssigkeitstälern und Bergen in dem Film. Bei hinreichend hoher Schwingungsintensität schnüren sich einzelne Tropfen aus den Bergen ab.

Abschätzung: Häufigster Tropfendurchmesser am Ultraschall-Vernebler

Der häufigste Tropfendurchmesser xh im Spray eines Ultraschall-Verneblers kann mit dieser Formel abgeschätzt werden. σ bezeichnet hierbei die Oberflächenspannung der zu zerstäubenden Flüssigkeit, ρ deren Dichte. fa bezeichnet die Anregungsfrequenz.

Formel zur Berechnung der Mindestamplitude am Ultraschall-Zerstäuber

Damit überhaupt das Verneblen von Flüssigkeiten an Ultraschallverneblern einsetzt, ist eine gewisse Nebeleinsatzamplitude Amin erforderlich. Diese muss erreicht beziehungsweise überschritten werden damit die Tropfenbildung einsetzt.


Typische Einsatzgebiete der Ultraschallvernebler

Typische Einsatzgebiete der Ultraschallvernebler sind die Luftbefeuchtung, die Warenbefeuchtung oder das Be- und Entgasen von Flüssigkeiten. Ebenfalls sind diese Zerstäuber vereinzelt in der Medizintechnik anzutreffen. Die Atemluftbefeuchtung oder die Inhalationstechnologie sind hier typische Anwendungsbeispiele.

Interessant sind Ultraschallvernebler auch zum Zerstäuben flüssiger Metalle. Dieses aufgrund der Tatsache, dass die Viskosität von Schmelzen in der Regel niedrig sind, sie jedoch eine hohe Oberflächenspannung aufweisen. Problematisch ist in der Praxis, dass der Schwinger neben der mechanischen- zudem einer hohen thermischen Belastung ausgesetzt ist.


Bei dem Ultraschallvernebler sind Besonderheiten zu beachten.

Eine hohe Oberflächenspannung σ der Flüssigkeit ist bei Ultraschall-Zerstäubern für den Zerstäubungsprozess von Vorteil; im Gegensatz zur Zerstäubung mit Einstoff-Druckdüsen oder Zweistoff-Düsen. Metallschmelzen weisen wie bereits erwähnt üblicherweise eine hohe Oberflächenspannung σ auf, was somit das Vernebeln begünstigt. Niedrige Oberflächenspannungen hingegen führen oftmals zu Problemen.


Nachteile und Grenzen der Ultraschallvernebler.

Zum einen sind die zu zerstäubenden Volumenströme relativ gering. Zum anderen reagieren Ultraschallvernebler empfindlich auf den Anstieg der Flüssigkeitsviskosität. Die Flüssigkeitsviskosität dämpft die Schwingungsausbreitung und kann dazu führen, dass sich keine Tropfen abschnüren können.

Die Tropfengeschwindigkeiten sind extrem gering. Das erhöht die Gefahr der Tropfenkoaleszenz. Hierunter versteht man das Zusammenfließen von Tropfen in einem Spray. Diese Tropfenkoaleszenz führt zu einer Vergröberung des Sprays.

Aus diesem Grund werden Ultraschall-Vernebler gelegentlich mit einem Trägerluftstrom überlagert. Dieser dient ausschließlich dem Transport der Tropfen. Kommerzielle und industriell verwendbare Ultraschall-Vernebler sind relativ teuer, benötigen eine aufwendige Regeltechnik und sind zudem nur sehr schwer zu beschaffen.

Das ist zudem zu berücksichtigen! Sehr feine Tropfen entstehen üblicherweise nur, wenn der Ultraschall-Vernebler im MHz-Bereich betrieben wird. Ursache hierfür ist, dass die Zerstäubung zusätzlich durch Kavitationseffekte überlagert wird. Derartige MHz-Zerstäuber sind in üblicherweise verhältnismäßig teuer und bedürfen einer aufwändigen Regelung.

Einfacher Luftbefeuchter für Privatanwendungen

Häufig täuscht die visuelle und somit subjektive Beobachtung eines Sprays, welches von einem Ultraschall-Vernebler erzeugt wird, hinsichtlich der realen Tropfengrößen.

So beispielsweise bei Raum- und Luft-Befeuchtern, die vereinzelt im Low Cost Bereich zum Beispiel in verschiedenen Baumärkten angeboten werden. Das sichtbare Schweben der Tropfen im Nahbereich des Ultraschall-Verneblers suggeriert, dass es sich um extrem feine Tropfen handeln muss.

Real ist dieser visuelle Effekt jedoch oftmals auf den sehr niedrigen Sprayimpuls und die geringe Tropfengeschwindigkeit zurück zu führen.


Beratung und alternative Zerstäubungstechnologien

Wir beraten Sie gerne umfassend zum Einsatz von Ultraschallzerstäubern. Gerne prüfen wir mit laseroptischer Spraymesstechnik die Spraygüte oder schlagen Ihnen alternative Zerstäubertechnologien vor.

Wir beraten Sie gerne zur Anwendung von Ultraschall-Verneblern.

Lassen Sie sich von den Ingenieuren und Physikern der IBR Zerstäubungstechnik GmbH beraten.

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