DE102005004341B4

DE102005004341B4 - Vorrichtung zur Zerstäubung einer unter Druck stehenden Flüssigkeit mittels Druckluft

Info

Publication number: DE102005004341B4
Application number: DE102005004341A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dr. Eckert
Original assignee: KARASTO ARMATURENFABRIK OEHLER; KARASTO ARMATURENFABRIK OEHLER GmbH
Current assignee: KARASTO ARMATURENFABRIK OEHLER GMBH, DE
Priority date: 2005-01-25
Filing date: 2005-01-25
Publication date: 2007-03-22
Anticipated expiration: 2025-01-26
Also published as: DE102005004341A1

Abstract

Vorrichtung zur Zerstäubung einer unter Druck stehenden Flüssigkeit in einer Sprühdüse (1), der unter Druck stehende Flüssigkeit und Druckluft zugeführt wird, bei der die Flüssigkeit aus einer ersten Düse in eine zweite Düse eintritt, der die Druckluft zugeführt wird; dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit aus der ersten Düse (28) in einen Diffusor (22) eintritt, in den durch die bei Austritt aus der Düse (28) eintretende Entspannung und des dadurch bewirkten Flüssigkeitszerfalls eine Tropfenvoraufbereitung stattfindet, und dass der Diffusor (22), der die Austrittsöffnung der ersten Düse (28) bildet, in den Düsenraum (60) der zweiten Düse (61), der die Druckluft zugeführt wird, hineinragt und bei Austritt der Wasserpartikel aus der zweiten Düse (61) durch Zusammentreffen mit der Druckluft ein weiterer Zerfall der Wasserpartikel bis auf eine Partikelgröße von 15 μm oder weniger erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zerstäubung einer unter Druck stehenden Flüssigkeit mittels Druckluft nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine derartige Vorrichtung ist aus der US 1 961 481 bekannt. Bei dieser tritt jedoch vor Eintritt in die zweite Düse kein Flüssigkeitszerfall auf. Die Zerstäubung erfolgt erst bei Austritt aus der zweiten Düse.
Eine ähnliche Vorrichtung ist aus der DE 197 14 071 C2 bekannt.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine solche Vorrichtung weiter zu verbessern, und zwar insbesondere dahingehend, dass mit reduziertem Energieaufwand eine feinere Zerstäubung der Flüssigkeit erreicht wird. Die Partikelgröße soll möglichst kleiner als 15 μ sein. Das ergibt erhebliche Vorteile, wenn die Flüssigkeit Wasser ist und eine Luftbefeuchtung erfolgen soll, weil dann die Verweildauer der Partikel in der Luft groß genug ist, um eine Verdunstung zu gewährleisten. Anwendungsgebiete sind unter anderem Druckereien, Textilbetriebe, Betriebe der Holzverarbeitung, Gewächshäuser, Krankenhäuser.

Die DE 100 09 573 A1 zeigt eine Düseneinrichtung, mit der Wasser unter Druck aus einem Strahlkanal in ein Wasser enthaltendes Becken, z.B. ein sanitäres Wasserbecken, zu Massage- und/oder Reinigungszwecken eingepresst wird. Dabei wird durch zwei um 180° versetzte Kanäle, in denen die Ventile eingesetzt sind, Luft angesaugt. Dadurch kann die Richtung des Wasserstrahls beim Eintritt in das im Becken befindliche Wasser eingestellt bzw. verändert werden.

Aus der DE 699 832 T2 ist eine Düse bekannt, bei der das Ende(51) des Rohres, aus dem Wasser austritt, von Luftaustrittsöffnungen (39 und 40) umgeben ist, die, um bei der Bildung des Wasserstrahles zu "helfen", gegenüber dem Rohrende (51) zurückversetzt sind, Diesen Druckschriften lassen sich keine Anregungen entnehmen, um bei der Zerstäubung von Wasser zum Zwecke der Luftbefeuchtung o.ä. Ergebnisse erzielen zu können, die besser sind als bei den bekannten Sprühdüsen.

Die oben genannte Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst. Die Erfindung betrifft ferner verschiedene vorteilhafte Weiterbildungen, die in den Unteransprüchen definiert sind.

Man verwendet in einer ersten Stufe zunächst eine Einstoff- Düse ("erste Düse"), mit der die Zerstäubung der Flüssigkeit durch Umwandlung der statischen Druckenergie des Wassers in kinetische Energie folgt. Danach erfolgt in der zweiten Stufe eine weitere Zerstäubung durch eine Zweistoffdüse ("zweite Düse"), bei der die Zerstäubung der Flüssigkeit durch Expansion eines zuvor komprimierten Gases, zum Beispiel Druckluft, erfolgt.

Durch die Kombination beider Düsen ("Hybrid-Düse") erfolgt somit zunächst eine Tropfenvoraufbereitung in der ersten Düse (Einstoffdüse). Die so entstandenen noch gröberen Flüssigkeitspartikel beziehungsweise Wasserpartikel werden unter Einwirkung eines expandierenden Gases (Druckluft) bei Durchtritt durch die zweite Düse (Zweistoffdüse) in feinste Tropfen, zum Beispiel mit einem Tropfendurchmesser von ≤ 12 μm weiter verfeinert.

Die Erfindung ist insbesondere unter dem Gesichtspunkt effektiver Energieumsetzung (sparsamer Energieverbrauch) bei der Anwendung Luftbefeuchtung, bei der feinste Tropfenspektren erzeugt werden sollen, von Bedeutung. So kann zum Beispiel die im Trinkwassernetz zur Verfügung stehende statische Druckenergie von ca. 4–6 bar für den Zerstäubungsprozess bei der Tropfenvoraufbereitung beim Austritt der Flüssigkeit aus der ersten Düse (Einstoffdüse) genutzt werden, während bei der klassischen Zweistoff-Düsenzerstäubung in der Regel der Wasserdruck auf unter 1 bar gedrosselt werden muss. Dabei geht Energie ungenutzt verloren.

Die durch den Vorzerstäubungseffekt in der ersten Düse erzielte größere Oberfläche der Flüssigkeit (Zerstäubungsmedium) bewirkt, dass nur wenig zusätzliche Energie in der zweiten Düse für die weitere Zerteilung in feinste Tropfen erforderlich ist.

Die für die Zerstäubung erforderliche Druckluft muss nur wenig verdichtet werden, zum Beispiel auf 0,8–1,0 bar im Vergleich zu einer Verdichtung auf 2,0–4,0 bar gemäß dem Stand der Technik. Dies wirkt sich positiv auf die Energiebilanz des gesamten Systems aus. So können anstelle von hochverdichtenden Energie aufwändigen Systemen zur Drucklufterzeugung, zum Beispiel Schrauben- oder Kolbenkompressoren, in der Handhabung einfachere und im Stromverbrauch günstigere niedrigverdichtende Systeme, zum Beispiel Gebläse-, Drehschieber- oder Klauenverdichter eingesetzt werden.

Der Zerstäubungsluftdruck, Wasserdruck und der elektrische Leistungsbedarf bei der Erzeugung verdunstungsfähiger Tropfen mit einem mittleren Durchmesser d_T ≤ 12 μm bei einer Bezugsbasis eines Wasserdurchsatzes von 4 Liter pro Stunde ergibt sich beispielsweise bei einem Systemvergleich zwischen einer Zweistoffdüse und der erfindungsgemäßen Hybriddüse aus der folgenden Tabelle:

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und ihrer vorteilhaften Weiterbildungen wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es stellen dar:

1 eine Übersichtsdarstellung zur Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 ein Ausführungsbeispiel;
3 eine vergrößerte Darstellung eines Teils der 2;
4 ein Schnitt entlang der Linie IV-IV in 2 (schematisiert).
Das in 1 gezeigte Düsenverbindersystem, wie es im Wesentlichen dem Stand der Technik nach der DE 197 14 071 C2 entspricht, dient zum Versprühen feinster Flüssigkeiten (zum Beispiel Wasser) mit Druckluft mittels Sprühdüsen 1. Wenn im Folgenden von Wasser gesprochen wird, so schließt das die allgemeinere Anwendung für andere Flüssigkeiten nicht aus. Die Zuleitung des Wassers erfolgt in einem inneren Rohr 3, die Zuleitung der Druckluft im Ringraum 50 zwischen innerem Rohr 3 und einem das innere Rohr umgebenden äußeren Rohr 2, das gleichzeitig als Träger dient. Es handelt sich also um ein Rohr-in-Rohr-System.
In beliebig wählbaren Abschnitten der Länge L sind Verbindungshülsen 4 vorgesehen (vgl. 2). In diesen sind Düsenhalter 8 vorgesehen, in die die Sprühdüsen 1 eingeschraubt sind. Der Ringraum 50 setzt sich über Öffnungen 51 in den Ringraum 53 zwischen Düsenhalter 8 und Verbindungshülse 4 fort. Die Zufuhr von Wasser und Druckluft erfolgt über ein Anschlussteil 5, das einen Druckluftanschluss 6 und einen Wasseranschluss 7 aufweist. Auf diese Weise ist es möglich, einen durchgehenden Strang aufzubauen, der bis zu 20 Verbindungshülsen 4 mit Sprühdüsen 1 aufweisen kann und im Übrigen durch beliebige Wahl der Länge L der Rohr-in-Rohr-Abstände in unterschiedlicher Weise so zusammengesetzt werden kann, wie es den jeweils konkret erforderlichen Bedürfnissen entspricht. Die Verbindung des Anschlussteils 5 mit einer Verbindungshülse 4 und mit den äußeren Rohren 2 erfolgt durch Überwurfmuttern 9. Das Gehäuse 10 der Sprühdüse 1 ist mit Hilfe des Außengewindes 11 in ein Innengewinde 12 an dem rohrförmigen Anschlussteil 13 eingeschraubt, der einteilig mit der Verbindungshülse 4 ausgebildet ist.
In die Sprühdüse 1 tritt Wasser aus dem inneren Rohr durch das Rückschlagventil 40 ein. Das Rückschlagventil 40 weist eine Kugel 41, eine Feder 42, einen Haltering 43 mit Öffnung 44 und ein Ventilgehäuse 45 mit Öffnungen 46 auf. Der Düsenkörper 25, eine Filterpatrone 30 und das Rückschlagventil 40 bilden eine in das Gehäuse 10 eingesetzte Einheit, also einen Einsatz, der mit dem Innenraum des Rohres 3 in der gezeigten Weise in Verbindung steht.
Wie aus 3 zu ersehen, ist in das Gehäuse 10 eine mit Öffnungen 21 versehene Düsenplatte 20 eingesetzt. Stirnseitig auf der Düsenplatte 20 ist der Düsenkörper 25 angeordnet, in dem der Drallkörper 27 mittels einer Spannhülse 26 fixiert ist. Das axial zugeführte Wasser wird im Drallkörper 27 tangential beschleunigt und mündet anschließend in die sich zur ersten Düse 28 konisch verjüngende Drallkammer 29, in der die Verwirbelung erfolgt. Die auf diese Weise entstandene turbulente Strömung mit hoher kinetischer Energie entspannt sich beim plötzlichen Übertritt in den Diffusor 22, der die Ausgangsöffnung der Düse 28 bildet. Dabei wird durch den Entspannungsvorgang der Flüssigkeitszerfall eingeleitet, das heißt die Tropfenvoraufbereitung bewirkt.
Die Druckluft tritt aus dem zwischen der Verbindungshülse 4 und Düsenhalter 8 gebildeten Ringraum 53 durch die Öffnungen 51 im Düsenhalter 8 in den Ringraum 55 im Gehäuse 10 ein. Das Ventilgehäuse 45 des Rückschlagventils 40 ist mit seinem Flansch 39 in einem Klemmring 36 aufgenommen, der auf dem Stutzen 17 an der radialen Verengung 16 des Düsenhalters 8 sitzt und mittels des O-Rings 37 abgedichtet ist. Von dort strömt die Druckluft in den Ringraum 55 zwischen Gehäuse 10 und einer Gewindehülse 35, die oben in den Klemmring 36 eingeschraubt und unten mit dem Düsenkörper 25 verschraubt ist. Rückschlagventil 40, Gewindehülse 35 und Düsenkörper 25 bilden einen Einsatz, der von oben in das Gehäuse 10 eingesetzt ist und in diesem von der Düsenplatte 20 gehalten wird, die auf dem Absatz 23 im Gehäuse 10 aufsitzt. Der Ringraum 55 endet an der Düsenplatte 20, so dass aus dem Ringraum 53 entnommene Druckluft durch die Öffnungen 21 hindurch in den Düsenraum 60 eintritt, aus dem sie durch die Düse 61 (zweite Düse) austritt, die als Mischkammer ausgebildet ist, wobei sie sich dort mit den Partikeln des voraufbereiteten Wassers vermischt, das dabei in feinste Tropfen zerteilt wird.
Die Bildung der Partikel findet also in folgenden Stufen statt: In der zunächst ersten Stufe erfolgt in der Drallkammer 29 im Inneren der Hülse 26 im Anschluss an den Drallkörper 27 eine Verwirbelung des Wassers. Beim Austritt aus der ersten Düse 28 beginnt das Wasser zunächst im Diffusor 22 in gröbere Partikel zu zerfallen (Tropfenvoraufbereitung). Beim anschließenden Eintritt in die Mischkammer 61, die die zweite Düse bildet, treffen die Wasserpartikel mit der sich expandierenden Druckluft zusammen. Es findet eine intensive Durchmischung statt. Die dabei entstehende Reibung zwischen Luft- und Wasserpartikel bewirkt den weiteren Zerfall in feinste Tropfen von ≤ 10 μm Durchmesser.
Die im Rohr 2 zugeführte Druckluft kann infolge der Ausbildung des Düsenhalters 8, wie in 2 durch die Pfeile A gezeigt, nicht nur – wie beschrieben – in die Spritzdüse 1 eintreten, sondern auch an dem Düsenhalter 8 vorbeiströmen und dann durch die Öffnungen 51 in den anschließenden nächsten Ringraum 50 eintreten. Das Wasser umströmt bei seinem Eintritt in die Spritzdüse 1 den Einsatz an der Stelle, an der das Wasser durch das Sieb 47 und die Öffnungen 46 in diese eintritt, und kann im Zwischenraum zwischen Sieb 47 und der Innenwand des Siebes 47 und Rückschlagventil 40 umgebenden Teil 48 des Düsenhalters 8 in das weiterführende nächste Rohr 3 eintreten.
Das Rückschlagventil 40 wird dabei beidseitig umströmt, wie aus 4 zu ersehen.

1: Sprühdüse
2: äußeres Rohr
3: inneres Rohr
4: Verbindungshülse
5: Anschlussteil
6: Druckluftanschluss
7: Wasseranschluss
8: Düsenhalter
9: Überwurfmutter
10: Gehäuse von 1
11: Außengewinde an 10
12: Innengewinde in 13
13: Anschlussteil
16: radiale Verengung von 8
17: Stutzen an 16
20: Düsenplatte
21: Öffnung in 20
22: Diffusor von 28
23: Absatz am Gehäuse 10
25: Düsenkörper (Einstoffdüse)
26: Spannhülse
27: Drallkörper
28: erste Düse (Flüssigkeit)
29: Drallkammer, konisch sich zur Düse 28 verjüngend
30: Filterpatrone
31: Sieb
32: Öffnungen
35: Gewindehülse
36: Klemmring
37: O-Ring
39: Flansch von 40
40: Rückschlagventil
41: Kugel
42: Feder
43: Haltering
44: Öffnung
45: Gehäuse des Rückschlagventils
46: Öffnung
47: Sieb
48: Teil von 8, der 40, 47 umgibt
50: Ringraum zwischen 2 und 3
51: Öffnungen in 8
53: Ringraum zwischen 4 und 8
55: Ringraum zwischen 10 und 35
60: Düsenraum
61: zweite Düse (Luft)
L: Länge eines Abschnitts
A: Pfeil (Wasser)

Claims

Vorrichtung zur Zerstäubung einer unter Druck stehenden Flüssigkeit in einer Sprühdüse (1), der unter Druck stehende Flüssigkeit und Druckluft zugeführt wird, bei der die Flüssigkeit aus einer ersten Düse in eine zweite Düse eintritt, der die Druckluft zugeführt wird; dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit aus der ersten Düse (28) in einen Diffusor (22) eintritt, in den durch die bei Austritt aus der Düse (28) eintretende Entspannung und des dadurch bewirkten Flüssigkeitszerfalls eine Tropfenvoraufbereitung stattfindet, und dass der Diffusor (22), der die Austrittsöffnung der ersten Düse (28) bildet, in den Düsenraum (60) der zweiten Düse (61), der die Druckluft zugeführt wird, hineinragt und bei Austritt der Wasserpartikel aus der zweiten Düse (61) durch Zusammentreffen mit der Druckluft ein weiterer Zerfall der Wasserpartikel bis auf eine Partikelgröße von 15 μm oder weniger erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitung der Druckluft und der Flüssigkeit in Rohren (2, 3) erfolgt, die je von beiden Seiten Rohr-in-Rohr in Verbindungshülsen (4) einsteckbar sind, und die Druckluft im Ringraum (50) zwischen innerem Rohr (3) und äußerem Rohr (2) geführt wird und über Öffnungen (51) in einen Ringraum (53) zwischen Verbindungshülse (4) und dem Düsenhalter (8) und von diesem in die Sprühdüse (1) eintritt und dass das Wasser führende innere Rohr (3) in den Düsenhalter (8) hineinragt und von diesem in die Sprühduse (1) eintritt, wobei gleichzeitig die Weiterströmung des Wassers in das von der anderen Seite in den Düsenhalter (4) hineinragende Rohr erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr der Druckluft zur zweiten Düse (1) im Gehäuse (10) der Sprühdüse (61) durch einen Ringraum (55) erfolgt, der den die erste Düse (28) aufweisenden Düsenkörper (25) umgibt und dass die Druckluft aus diesem Ringraum (53) durch Öffnungen (21) der Düsenplatte (20) in den Düsenraum (60) eintritt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung der zweiten Düse (61) als Mischkammer für Druckluft und Wasser ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Düsenkörper (25) vor der ersten Düse (28) in einer sich konisch zu dieser hin verjüngenden Drallkammer (29) ein Drallkörper (27) angeordnet ist, und in der Drallkammer (29) eine Verwirbelung der Flüssigkeit.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass der die erste Düse (28) aufweisende Düsenkörper (25) in eine Gewindehülse (35) hineinragt, die mit dem die Flüssigkeit zuführenden Rohr (3) über ein Rückschlagventil (40) in Verbindung steht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–4 dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzdüse (1) dadurch gebildet wird, dass in das in die Verbindungshülse (4) eingeschraubte Gehäuse (10) ein Einsatz eingesetzt ist, der durch den die erste Düse (28) enthaltenden Düsenkörper (25), ein vorgeschaltetes Filter (30) und ein Rückschlagventil (40) gebildet ist und dass dieser Einsatz mit der ersten Düse (28) an dem Austrittskanal (22) einer Düsenplatte (20) anliegt, die in das Gehäuse (10) eingesetzt ist und dass stromabwärts der ersten Düse (28) die zweite Düse (61) im Gehäuse angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich in Strömungsrichtung an die Düsenplatte (20) der raum (60) anschließt, der die Druckluft durch Öffnungen (21) in der Düsenplatte (20) aus einem Ringraum (55) zugeführt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–8 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass zur Energieersparnis der ersten Düse (28) als Flüssigkeit Wasser ohne besondere Drosselung aus dem zur Verfügung stehenden Versorgungsnetz mit einem Druck von 4–6 bar und der zweiten Düse (61) Druckluft mit einem Druck von 0,5–1,5 bar, vorzugsweise 0,8–1 bar zugeführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtung der Druckluft in Gebläse-, Drehschieber- oder Klauenverdichtern erfolgt.