DE102007034549A1

DE102007034549A1 - Energiespardüse mit Druckluftunterstützung

Info

Publication number: DE102007034549A1
Application number: DE200710034549
Authority: DE
Inventors: Dieter Wurz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-07-22
Filing date: 2007-07-22
Publication date: 2009-01-29

Abstract

Diese Erfindung betrifft Zweistoffdüsen zur Zerstäubung von Flüssigkeiten unter Einsatz von Druckluft. Erfindungsgemäß werden bei den Energiespardüsen neuartige Maßnahmen zur Verringerung des Energieverbrauchs bei der Zerstäubung von Flüssigkeiten eingesetzt. Verwendung findet der Erfindungsgegenstand z. B. für die Verdunstungskühlung oder für die Rauchgasreinigung.

Description

In vielen verfahrenstechnischen Anlagen werden Flüssigkeiten in ein zweites, meist gasförmiges Fluid eingesprüht. Dabei ist es häufig von entscheidender Bedeutung, dass die Flüssigkeit in möglichst feine Tropfen versprüht wird. Je feiner die Tropfen sind, um so größer ist die spezifische Tropfenoberfläche. Daraus können sich erhebliche verfahrenstechnische Vorteile ergeben. So hängen beispielsweise die Größe eines Reaktionsbehälters und seine Herstellungskosten erheblich von der mittleren Tropfengröße ab. Aber vielfach ist es keineswegs ausreichend, dass die mittlere Tropfengröße einen bestimmten Grenzwert unterschreitet. Schon einige wenige wesentlich größere Tropfen können zu erheblichen Betriebsstörungen führen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Tropfen auf Grund ihrer Größe nicht schnell genug verdunsten, sodass noch Tropfen oder auch teigige Partikel in nachfolgenden Komponenten, z. B. auf Gewebefilterschlauchen oder an Gebläseschaufeln, abgeschieden werden und zu Betriebsstörungen durch Inkrustierungen, Korrosion oder Unwucht führen.
Wenn Flüssigkeiten zu einem möglichst feinen Tropfenspray zerstäubt werden sollen, kommen in aller Regel sogenannte Druckgas – gestützte Zweistoffdüsen zum Einsatz. Bei diesen Düsen wird die Flüssigkeit mit Hilfe eines Druckgases, z. B. Druckluft oder Druckdampf, dem ersten gasförmigen Fluid, in ein zweites gasförmiges Fluid, z. B. in Rauchgas eingesprüht.
Im Interesse einer sprachlichen Vereinfachung wird nachfolgend grundsätzlich die Bezeichnung "Druckluft" verwandt, auch wenn verallgemeinernd von Druckgas oder Druckdampf gesprochen werden könnte.
Während früher die Qualität des erzeugten Tropfensprays im Vordergrund stand, spielt heutzutage der für die Zerstäubung erforderliche Energieaufwand eine immer größere Rolle.
Daher ist es notwendig, auch bewährte Konzepte unter diesem aktuellen Blickwinkel eines geringen Energiebedarfs zu überdenken.
Viele Maßnahmen zur Energieeinsparung sind prinzipiell bekannt. Jedoch ist die Anwendung dieser Maßnahmen auf die Zerstäubungstechnik bisher nur in einem verhältnismäßig geringen Umfange gelungen.
Der Begriff der Energiespardüse bedarf hier einer Klärung:

– Als Energiespardüsen erster Art werden hier definiert: Düsen, die mit einem geringen Energieaufwand in der Lage sind, einen Sprühstrahl mit verhältnismäßig feinen Tropfen zu erzeugen. Dabei wird eine mögliche Einsparung des Energieaufwandes für die Förderung des gasförmigen zweiten Mediums, in welches eingesprüht wird, nicht berücksichtigt.
– Als Energiespardüsen zweiter Art werden hier definiert: Düsen bzw. Düsenkonfigurationen, die eine Energieeinsparung dadurch bewirken, dass nicht nur die Zerstäubung selbst mit niedrigem Energieaufwand betrieben wird, sondern dass die im Düsenstrahl enthaltene kinetische Energie für die Förderung des zweiten gasförmigen Fluides genutzt wird.

Aufgabenstellung dieser Erfindung
Mit dieser Aufgabenstellung wird primär das Ziel verfolgt, den Energieaufwand für die Zerstäubung einer Flüssigkeit weitgehend zu verringern. Hierbei handelt es sich somit um Energiespardüsen erster Art.
Figuren:
1 Druckluftgestützte Zweistoffdüse nach dem Stand der Technik, entnommen aus der PCT-Anmeldung PCT/EP2007/001384 .
2 Basisvariante einer druckluftgestützten Zweistoffdüse nach der Erfindung.
3 Schnitt A–B durch die Primärdüse einer druckluftgestützten Zweistoffdüse nach der Erfindung.
4 Mischkammereinsätze für unterschiedliche Leistungsbereiche der Düse.
Stand der Technik
Um Flüssigkeiten fein zu zerstäuben, kommen entweder Hochdruck-Einstoffdüsen oder druckluftgestützte Zweistoffdüsen zum Einsatz. Bei niedrigem Luftdruck wird von Airblast-Düsen gesprochen, bei höherem Luftdruck von druckluftgestützten Düsen (pressurized air assisted nozzles).
Nachfolgend werden nur noch druckluftgestützte Zweistoffdüsen betrachtet, wobei die Druckluft das erste gasförmige Fluid darstellt mit dessen Hilfe eine Flüssigkeit in ein zweites gasförmiges Fluid eingesprüht wird.
1 zeigt eine druckluftgestützte Zweistoffdüse nach dem Stand der Technik. Diese Düse ist in der PCT/EP 2007/001384 im Detail beschrieben. Die zu zerstäubende Flüssigkeit tritt hier über eine Flüssigkeitsdüse 142 in das Mischkammerbauteil 132 ein, in welches auch primäre Druckluft 15, das erste gasförmige Fluid, über die Bohrungen 134, 136, 138 als Zerstäubungsmedium mit sehr hoher Geschwindigkeit eingeleitet wird. Durch die Anordnung der Druckluftbohrungen in der Mischkammerwand tritt die Druckluft zwangsläufig mehr oder weniger senkrecht zur Düsenlängsachse in die Mischkammer ein. Das Gemisch aus Tropfen und Druckgas tritt über eine Engstelle am Mischkammeraustritt und ein sogenanntes Düsenaustrittsteil 148 in den Einsprühraum über, in welchem ein zweites gasförmiges Fluid strömt.
Diese Düse hat durchaus bereits in gewissem Umfange den Charakter einer Energiespardüse. Gemessen an älteren Konzepten ist der Energieaufwand bei Düsen nach der PCT/EP 2007/001384 bei gleicher Zerstäubungsqualität bereits erheblich reduziert. Charakteristisch ist bei diesem Düsentyp ein relativ großer Mischkammerdurchmesser dem eine Engstelle mit einem vergleichsweise geringen Durchmesser folgt. Flüssigkeit, die auf die Wand der Mischkammer gelangt, bildet hier einen vergleichsweise dicken Flüssigkeitsfilm, der erst bei der Beschleunigung zum Düsenmund hin in kleinere Tropfen zerlegt werden kann. Ferner wird bei diesem Düsentyp die primäre Zerstäubungsdruckluft über eine Vielzahl von Bohrungen 134, 136, 138 mit sehr hoher Geschwindigkeit, näherungsweise mit Schallgeschwindigkeit, in die Mischkammer eingeleitet. Die Herstellung dieser relativ feinen Bohrungen ist zeit- und kostenintensiv. Nur ein vergleichsweise geringer Anteil der in diesen Druckluftstrahlen enthaltenen kinetischen Energie wird für die Vorzerstäubung der Flüssigkeit in der Mischkammer genutzt. Der überwiegende Anteil wird durch Reibung in innere Energie verwandelt. Das mit relativ geringer mittlerer Geschwindigkeit durch den großen Querschnitt der Mischkammer strömende Gas-Tropfen-Gemisch wird nachfolgend im Düsenaustrittsteil stark beschleunigt, wodurch im Strahlkern ein Sekundärzerfall der Tropfen in sehr feine Tropfen bewirkt wird. Unmittelbar am Düsenmund 128 wird über einen Ringspalt mit geeigneten Einfräsungen 156 ein gewisser Prozentsatz des ersten gasförmigen Fluides als sekundäre Zerstäubungsdruckluft eingeleitet und somit ein Zerfall des Flüssigkeitsfilmes erzwungen, der sich auf der Wand des Austrittsteils 148 gebildet hat. Ferner kann auf diese Weise der Strahlwinkel des Sprühstrahls am Düsenmund aufgeweitet werden.
Druckgas – gestützte Düsen nach der vorliegenden Erfindung.
Grundsätzliche Aspekte nach der Erfindung.
Ein Grundgedanke nach der vorliegenden Erfindung besteht darin, die kinetische Energie der mit hoher Geschwindigkeit in die Mischkammer eingeleiteten primären Zerstäubungsdruckluft in der Mischkammer möglichst weitgehend zu erhalten bzw. weitestgehend für die Zerstäubung der Flüssigkeit und Beschleunigung der Tropfen einzusetzen. Um Strömungsverluste durch Richtungsänderung zu vermeiden, ist es vorteilhaft, die primäre Zerstäubungsdruckluft in Richtung der Hauptströmung in der Mischkammer und somit in Richtung der Längsachse der Düse einzuleiten. Ferner ist es im Sinne einer Minimierung des Energieverbrauchs vorteilhaft, auf eine unnötig große, zu einer Geschwindigkeitsreduktion führenden Querschnittserweiterung der Mischkammer zum Düsenaustrittsteil hin zu verzichten, denn bekanntlich sind verzögerte Strömungen bei Verwirbelung der kinetischen Energie mit Druckverlusten verbunden. Eine stetige Beschleunigung der Strömung in der Mischkammer sollte einem Optimum bezüglich der Einsparung des Energieverbrauches für die Zerstäubung der Flüssigkeit am nächsten kommen. In bestimmten Fällen, auf die weiter unten noch näher eingegangen wird, könnte es im Sinne der hier zu lösenden Aufgabenstellung sogar vorteilhaft sein, auf eine Verjüngung der Mischkammer am Übergang zum Düsenaustrittsteil, wie in 1 markant dargestellt, vollständig zu verzichten. Der Zentralkanal des Düsenaustrittsteils setzt sich dann nicht mehr durch geometrische Merkmale von der Mischkammer ab. Aber auch in diesem Falle wollen wir von einer Mischkammer sprechen, weil die Zerstäubung schon weit vor dem Düsenmund einsetzt. Die Verwendung des seit vielen Jahren eingeführten Begriffes "Mischkammer" ist generell etwas fragwürdig, weil schon bei Düsen nach dem Stand der Technik in der Mischkammer nicht nur gemischt wird, sondern selbstverständlich eine Zerlegung größerer Flüssigkeitsteile in Tropfen erfolgt. Insbesondere aber bei Düsen gemäß der Erfindung wird in der hier mit relativ hoher Geschwindigkeit durchströmten Mischkammer nicht nur vermischt, sondern es werden noch vorhandene größere Tropfen in sehr feine Tropfen weiter zerteilt; und auf der Mischkammerwand einer Düse gemäß der Erfindung können bei den hohen Strömungsgeschwindigkeiten der Gasphase nur extrem dünne Flüssigkeitsfilme gebildet werden. Aus dünnen Flüssigkeitsfilmen entstehen am Düsenmund entsprechend kleine Tropfen.
Nach Untersuchungen des Erfinders ist es bei Energiespardüsen von großer Bedeutung, eine ausreichende Lauflänge für die Flüssigkeitszerstäubung in der Mischkammer anzubieten. Die für die Zerteilung der Tropfen erforderliche Arbeit muss dem Tropfen über Grenzflächenvorgänge und Druckgradienten zugeführt werden. Wenn der Energieaufwand keine Rolle spielt, kann diese Energiezufuhr quasi schockweise mit sehr hohen Relativgeschwindigkeiten zwischen Zerstäubungsdruckluft und Flüssigkeit auf einer entsprechend kurzen Strecke erfolgen. Soll jedoch Zerstäubungsenergie eingespart werden, muss eine ausreichende Lauflänge für eine "sanfte", aber dennoch ausreichende Energiezufuhr von der Zerstäubungsdruckluft auf die Flüssigkeit angeboten werden. Energiesparend wirkt es sich ferner aus, wenn die Zerstäubungsdruckluft nicht die gesamte Zerteilungsarbeit an einem kompakten Flüssigkeitsstrahl leisten muss, sondern wenn Flüssigkeit und Zerstäubungsluft durch eine geeignete Kanalführung und bei geringem Druckverlust insbesondere in der Gasphase bereits vor dem Kontakt der beiden Phasen in möglichst feine Teilströme zerlegt wurden. Somit könnte man im Sinne dieser Erfindung die Flüssigkeit über eine Vielzahl dünner, parallel zur Düsenlängsachse ausgerichteter Röhrchen in die Zerstäubungsdruckluft einbringen. Eine andere Möglichkeit besteht in einer sternförmigen Durchdringung der Teilkanäle, über welche die Flüssigkeit bzw. die Zerstäubungsdruckluft in die Mischkammer eingebracht werden, wobei auch hier die Strömungsrichtung am Eintritt in die Mischkammer im Wesentlichen in Richtung der Düsenlängsachse verlaufen soll, um Umlenkverluste zu vermeiden. Der einfachste Fall der gegenseitigen Durchdringung wäre die Flüssigkeitszufuhr über eine zentrale Bohrung, die von einer ringförmigen Druckluftzufuhr umgeben ist. Eine derartige Primitivlösung käme nach der Erfindung nur für extrem kleine Düsen in Frage, bei denen eine beispielsweise sternförmige Durchdringung bereits an kostengünstigen Fertigungsmöglichkeiten scheitert. Abgesehen davon ist bei kleinen Düsen der Querschnitt des in die Mischkammer eintretenden Flüssigkeitsstrahles bereits derart klein, dass die Zerstäubungsdruckluft keine große Tiefenwirkung besitzen muss, um den Strahl in feine Tropfen zerlegen zu können.
Basisvariante einer Düse nach der Erfindung.
2 zeigt eine Basisvariante einer Düse nach der Erfindung. Die zu zerstäubende Flüssigkeit 1 wird über das zentrale Rohr 2 einer Primärdüse 3 zugeführt, die an das zentrale Rohr 2 angeschraubt ist. Selbstverständlich sind auch andersartige Verbindungstechniken denkbar. Die Flüssigkeit tritt über schmale Spalte 4, im vorliegenden Falle wurden 4 radiale Spalte verwirklicht, mit relativ hoher Geschwindigkeit in die Mischkammer 5 ein, die hier den Durchmesser D_I aufweist.
Die Zerstäubungsdruckluft 6 wird über ein das Zentralrohr 2 umschließendes Hüllrohr 7 einem die Primärdüse umschließenden Ringraum 8 zugeführt. Hier wird sie in zwei Teilströme aufgeteilt, die primäre Zerstäubungsdruckluft 9 und die sekun däre Zerstäubungsdruckluft 15. Die primäre Zerstäubungsdruckluft 9 wird über die Bohrungen 10 in der Sekundärdüse 14 einer ringförmigen Ausdrehung 11 an der Primärdüse 3 zugeführt. Von hier aus wird sie über keilförmige Nuten 12, die zwischen den Wänden der flüssigkeitsführenden Spalten 4 liegen, ebenfalls in die Mischkammer 5 eingeleitet. Zur Veranschaulichung siehe auch 3, die einen zur Düsenachse 13 senkrechten Schnitt A–B durch die Primärdüse darstellt. Vorteilhaft insbesondere aus fertigungstechnischer Sicht ist bei dieser koaxialen Verschachtelung einer Primärdüse 3 mit einer Sekundärdüse 14, dass die Außenseite der Primärdüse für eine Bearbeitung mit kostengünstigen Verfahren wie Fräsen und Schleifen bzw. bei pulvermetallurgischen Verfahren für das Ausformen frei zugänglich ist.
2 zeigt ferner, dass die Mischkammer 5 im vorliegenden Falle in Strömungsrichtung leicht divergent ausgeführt ist. Dies stellt keinesfalls eine Grundregel dar. Die Mischkammer könnte durchaus zunächst leicht divergent, dann zylindrisch und zum Austritt hin zunächst konvergent und dann wieder leicht divergent ausgeführt sein, wie dies von Lavaldüsen bekannt ist.
Für ein Verständnis diese Düsenkonzepts ist es wichtig, Folgendes zu verstehen:
Für die Randbedingungen wie Flüssigkeits- und Druckluftdurchsatz sowie der Luftgeschwindigkeit am Eintritt in die Mischkammer kommt es bei der hier dargestellten Düse trotz der Querschnittserweiterung in Strömungsrichtung zu einer Beschleunigung der Gasphase, weil sich die Dichte der Gasphase in Strömungsrichtung stark verringert. Dies ist darauf zurückzuführen, das die Druckluft Arbeit zur Beschleunigung und Zerteilung der Tropfen leisten muss, was mit einem erheblichen Druckverlust und einer entsprechenden Abnahme der Gasdichte einhergeht. Bei Düsen, die für die Zerstäubung sehr geringer Flüssigkeitsmengen vorgesehen sind, kann es erforderlich sein, die Mischkammer in Strömungsrichtung konvergent auszuführen, damit hier bei noch vergleichsweise niedrigen Unterschallgeschwindigkeit der Druckluft am Eintritt in die Mischkammer eine ausreichende Beschleunigung der Gasphase in der Mischkammer erreicht wird. Um eine Anpassung einer Düse an den vorgesehenen Einsatzzweck unter Beibehaltung der Abmessungen der meisten Bauteil mit geringem Aufwand durchführen zu können, ist ein austauschbarer Mischkammereinsatz 22 vorgesehen. Die 4.1, 4.2 und 4.3 zeigen diverse Mischkammereinsätze 23–25 für unterschiedliche Leistungs bereiche der Düse sowohl hinsichtlich des Flüssigkeitsdurchsatzes als auch im Hinblick auf unterschiedliche Tropfengrößenverteilungen.
Durch eine Änderung des Durchmesser D_I am Mischkammereintritt ändert sich natürlich auch der Abschöpfquerschnitt für die in die Mischkammer eintretenden Fluide an der Primärdüse. Der modulare Aufbau dieses Düsenkonzepts bietet demnach ideale Voraussetzungen für die Entwicklung einer größeren Düsenfamilie bei Austausch von nur wenigen Komponenten.
Sekundäre Zerstäubungsdruckluft 15 wird über einen Bohrungsring 16 einem Ringspalt 17 zugeleitet, welcher den Düsenmund 18 umschließt. Auf die Ausgestaltung dieses Ringspalts 17 wird hier nicht näher eingegangen, da eine detaillierte Beschreibung bereits in der PCT/EP2007/0011384 gegeben wurde. Die Sekundärdüse 14 ist wiederum von einem Düsenmantel 19 umschlossen, welcher mit dem Hüllrohr 7 verschraubt ist. Die genaue Zentrierung der Sekundärdüse 14 im Düsenmantel 19 wird durch den Ringkörper 20 erreicht, der in geringer Entfernung zum Düsenmund angebracht ist. Eine Variation der Breite des Ringspalts ist durch axiales Verschieben des Düsenmantels 19 zu erreichen, bzw. durch Variation der Stärke der Dichtung 21.
Bei der Basisvariante gemäß 2 wird die innige Durchdringung der flüssigkeits- bzw. gasführenden Teilkanäle durch eine sternförmige Konfiguration der Primärdüse 3 bewirkt, die sehr kostengünstig durch die Bearbeitungsschritte Bohren, Drehen und Fräsen hergestellt werden kann. Die Flüssigkeit tritt bereits als relativ dünne Lamelle aus den schmalen Schlitzen 4, deren Breiten zwischen 0.1 und 0.5 mm liegen könnte, in die Mischkammer ein. Die primären Flüssigkeitslamellen werden auf beiden Seiten von einer gleichgerichteten Luftströmung hoher Geschwindigkeit, die auch im Überschallbereich liegen kann, zu einer extrem dünnen Sekundärlamelle auseinander gezogen, die in feine Tropfen zerfällt. Dabei kann der Querschnitt der Luftzuleitung zur Mischkammer, d. h. die Summe der Querschnitte der Sektoren 21 in 3, das 2- bis 20-fache, bevorzugt das 6–10-fache des Zuleitungsquerschnitts der Flüssigkeit bzw. der Summe der Schlitzquerschnitte zur Mischkammer hin betragen. Dabei sind die Querschnitte immer senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluides zu betrachten. Bei größeren Düsen ist es sinnvoll und fertigungstechnisch auch ohne weiteres möglich, die Anzahl der Spalte 4 bzw. der dazwischen liegenden keilförmigen Ausschnitte 12 wesentlich zu erhöhen. Ferner ist es vorteilhaft, auch die Schlitze 4 nicht durch planparallele Wände seitlich zu begrenzen, sondern die Schlitze durch Einsatz kegeliger Frässcheiben keilförmig auszuführen mit einer nach außen zunehmenden Schlitzbreite. Dies ist deshalb sinnvoll, weil es ansonsten zu einer Flüssigkeitsverarmung der Außenzonen kommt.
Wenn der Energieverbrauch besonders weit gesenkt werden soll, wird man die Luftgeschwindigkeit am Eintritt in die Mischkammer nicht auf schallnahe oder gar auf Überschallgeschwindigkeiten anheben, sondern die Laufstrecke in der Mischkammer so bemessen, dass die Flüssigkeit auch bei geringeren Strömungsgeschwindigkeiten der Druckluft in ausreichend feine Tropfen zerfällt. Somit darf die Länge L_MC der Mischkammer nicht zu kurz bemessen werden. Denn wenn der Tropfenstrahl erst einmal den Düsenmund verlassen hat, verringert sich die Relativgeschwindigkeit zwischen Zerstäubungsdruckluft und Tropfen, und ein weiterer Tropfenzerfall findet nicht mehr statt.
Der Prozess in der Mischkammer, bei dem die Tropfen näherungsweise auf die Schallgeschwindigkeit in der Gasphase beschleunigt werden, ist mit einem erheblichen Druckverlust verbunden, wie bereits angedeutet wurde. Somit nimmt die Dichte der kompressiblen Gasphase auf dem Weg durch die Mischkammer ab und der Durchmesser, bzw. der Querschnitt der Mischkammer, kann sich in Strömungsrichtung auch dann erweitern, wenn die Unterschallströmung noch weiter beschleunigt werden soll. Eine Konfiguration, die aus streng geometrischer Sicht als Unterschalldiffusor eingestuft wird, kann in einer Zweiphasenströmung mit Beschleunigung der partikulären Inhaltsstoffe durchaus als Düse mit Beschleunigung der Gasströmung sowie der enthaltenen Partikel in Tropfengestalt wirken. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn der Querschnittsverlauf der Mischkammer bis hin zum Düsenmund derart bemessen wird, dass die Geschwindigkeit der Gasphase, genauer der Querschnittsmittelwert der Geschwindigkeit der Gasphase V_G in Strömungsrichtung x stetig zunimmt oder zumindest konstant bleibt.
Nach der Kontinuitätsgleichung angewandt auf die Gasphase besteht folgender einfacher Zusammenhang: mG = ρGVG = ρGANVG
Darin bedeuten:

m_G: Massenstrom des primären Zerstäubungs-Druckgases
ρ_G: variable Dichte des primären Zerstäubungs-Druckgases im jeweiligen Querschnitt längs der Koordinate x
V_G: Volumenstrom des primären Zerstäubungs-Druckgases im jeweiligen Querschnitt längs der Koordinate x
v_G: mittlere Geschwindigkeit des primären Zerstäubungs-Druckgases im jeweiligen Querschnitt längs der Koordinate x
A_N: Querschnitt in der Mischkammer bzw. im Düsenaustrittsteil senkrecht zur Düsenlängsachse bzw. senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des primären Zerstäubungs-Druckgases längs der Koordinate x
x: Lauflängenkoordinate längs der Zentralachse der Düse beginnend an der Flüssigkeitsdüse

Die Forderung nach einer fortwährenden Beschleunigung, bzw. als einer konstanten Geschwindigkeit der Gasphase als Untergrenze, lässt sich demnach formelmäßig folgendermaßen ausdrücken: dv/dx ≥ 0bzw.: d(mG/(ρGAN))/dx ≥ 0
Ein in Strömungsrichtung divergenter Querschnittsverlauf der Mischkammer ist dann zu erwarten, wenn die Düsenabmessungen wegen großer Mengenströme für die zu zerstäubende Flüssigkeit insgesamt verhältnismäßig groß sind. Dann können bereits an der Vermischungsstelle der Flüssigkeit mit der primären Zer stäubungsdruckluft sehr hohe Geschwindigkeiten erreicht werden, ohne dass die sternförmige Ausführung der Flüssigkeitsdüse infolge sehr kleiner Strömungsquerschnitte zu filigran ausfallen müsste, woraus fertigungstechnische Probleme resultieren würden.
Bei kleinen Düsen wird man schon aus fertigungstechnischen Gründen den Vermischungsbereich der Flüssigkeit mit der primären Zerstäubungsdruckluft am Mischkammereintritt, Durchmesser D_I, vergleichsweise groß ausführen müssen. Dann liegen hier die Strömungsgeschwindigkeiten bei großen Strömungsquerschnitten am Mischkammereintritt noch weit unterhalb der Schallgeschwindigkeit, sofern die Düse energiesparend betrieben werden soll. In diesem Fall ist ein konvergenter Querschittsverlauf in der Mischkammer bis hin zum Düsenmund zur weiteren Beschleunigung und Zerstäubung der Tropfen vorteilhaft.
Selbstverständlich ist es auch bei dieser Düse möglich, die Strömung über eine konvergent-divergente "Laval"-Düse noch vor Erreichen des Düsenmundes auf kurzem Wege auf Überschallgeschwindigkeit zu beschleunigen. Hierbei werden hohe Druck- und Scherkräfte auf die Tropfen ausgeübt, sodass ein besonders feiner Tropfenspray erzeugt werden kann. Aber eine derartige Beschleunigung der Gasphase in den Überschallbereich ist mit einem hohen Energieaufwand verbunden und widerspricht somit in aller Regel der hier verfolgten Zielrichtung. Allerdings kann sich ein hoher Energieaufwand bei der Zerstäubung auch dann letztlich als energiesparend auswirken, wenn durch eine besonders feine Tropfengrößenverteilung der Energieaufwand an anderer Stelle, z. B. für die Förderung des zweiten gasförmigen Fluides, in welches eingesprüht wird, verringert. Mit dem Begriff der Schallgeschwindigkeit muss man in Zweiphasenströmungen ohnehin sehr vorsichtig sein, weil es hier nicht alleine auf die Schallgeschwindigkeit in der Gasphase ohne Tropfengehalt ankommt. Diesbezüglich sei auf die einschlägige Literatur verwiesen (z. B.: Weber, M.: Strömungsfördertechnik).

1: zu zerstäubende Flüssigkeit
2: zentrales Rohr für die Flüssigkeitszufuhr zur Primärdüse
3: Primärdüse
4: Austrittsspalte für die Flüssigkeit am Mund der Primärdüse bzw. am Mischkammereintritt
5: Mischkammer
6: Zerstäubungsdruckluft
7: Hüllrohr für die Zufuhr der Zerstäubungsdruckluft
8: Ringraum
9: primärer Zerstäubungs-Druckluftstrom
10: große Bohrungen für die Zufuhr der primären Zerstäubungsdruckluft zur Primärdüse
11: ringförmige Ausdrehung zur Verteilung der primären Zerstäubungsdruckluft am Umfang der Primärdüse
12: keilförmige Nuten an der Außenseite der Primärdüse für die Zufuhr der primären Zerstäubungsdruckluft
13: Düsenlängsachse
14: Sekundärdüse
15: sekundäre Zerstäubungsdruckluft
16: Bohrungsring für die Zumessung der sekundären Zerstäubungsdruckluft
17: Ringspalt in unterschiedlichster Ausgestaltung
18: Düsenmund
19: Düsenmantel
20: Ringkörper zur präzisen Zentrierung der Mischkammer, die hier gleichzeitig Düsencharakter besitzt, im Ringspalt 17
21: auswechselbare Dichtung unterschiedlicher Dicke zur Einstellung des Ringspalts
22: austauschbarer Mischkammereinsatz
23–25: diverse Mischkammereinsätze
26: Druckluftgestützte Zweistoffdüse nach der Erfindung
D_I: Durchmesser der Mischkammer am Eintritt der Fluide
D_E: Durchmesser der Mischkammer am Düsenmund
L_MC: Länger der Mischkammer, die hier gleichzeitig Düsencharakter hat
S: Spaltweite der Spalten 4 bei planparalleler Ausführung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 2007/001384 [0010, 0016, 0017]
- EP 2007/0011384 [0025]

Claims

Druckluftgestützte Zweistoffdüse mit Mischkammer, dadurch gekennzeichnet, dass Flüssigkeit und primäre Zerstäubungsdruckluft über eine primäre Zerstäubungsdüse und über sich gegenseitig durchdringende Teilkanäle dieser Primärdüse unmittelbar am Eintritt in eine Mischkammer miteinander in Kontakt kommen.
Druckluftgestützte Zweistoffdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Austritt der Primärdüse bzw. am Eintritt in die Mischkammer mehr als 2, bevorzugt 6–16 Teilkanäle vorhanden sind, die im wesentlichen koaxial gleichgerichtete durchströmt werden.
Druckluftgestützte Zweistoffdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Zerstäubungsdruckluft nicht nur über die primäre Zerstäubungsdüse, sondern zusätzlich über Bohrungen in der Mischkammerwand in die Mischkammer eintritt.
Druckluftgestützte Zweistoffdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte primäre Zerstäubungsdruckluft und die gesamte Flüssigkeit über die Primärdüse in die Mischkammer eintreten.
Druckluftgestützte Zweistoffdüse nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchdringung der Mündungsabschnitte von Flüssigkeitsdüse und primärer Zerstäubungsdruckluft eine sternförmige Konfiguration darstellt.
Druckluftgestützte Zweistoffdüse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die sternförmige Durchdringung der Teilkanäle für die Flüssigkeits- bzw. für die Druckluftzufuhr durch Einschnitte bzw. Ausfräsungen am Mündungsabschnitt der Primärdüse erreicht ist.
Druckluftgestützte Zweistoffdüse nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt der Flüssigkeitsseite am Eintritt zur Mischkammer 5–30% des Strömungsquerschnitts auf der Seite der primären Zerstäubungsdruckluft beträgt.
Druckluftgestützte Zweistoffdüse nach einem der Ansprüche 1–7 dadurch gekennzeichnet, dass die Mündung der Mischkammer, aus welcher das Tropfengemisch austritt, von einem Ring für die Einleitung der sekundären Zerstäubungsdruckluft und von einem Düsenmantel umschlossen ist, sodass eine Sekundärdüse entsteht, welche mit der Primärdüse koaxial verschachtelt ist.
Druckluftgestützte Zweistoffdüse nach einem der Ansprüche 1–8 dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnittsverlauf in der Mischkammer bis hin zum Düsenmund nach der Auslegungsrichtlinie dv_G/dx ≥ 0 bemessen ist.