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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Zweistoffdüse zur Zerstäubung eines
Fluids nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Düsen,
welche zur Zerstäubung
einer Flüssigkeit
eingasförmiges
Medium nutzen, sogenannte Zweistoffdüsen, sind bekannt. Solche Düsen werden z.B.
in einem Artikel der Zeitschrift Öl- und Gasfeuerung 11/1966
ausführlich
beschrieben. Der Vorteil solcher Systeme liegt darin, dass auch
kleinste Flüssigkeitsmengen
zerstäubt
werden können.
Außerdem
sind auf diese Weise auch Flüssigkeiten
mit höherer
Viskosität
zu verarbeiten und die Regelfähigkeit ist
im Gegensatz zu Einstoffdüsen
sehr groß.
Nachteilig ist allerdings der immense Luftbedarf; wodurch dann große Kompressoren
erforderlich werden. In der Vergangenheit hat man bei Ölbrennern
die problemlose Luftzerstäubung
nur selten angewandt, weil infolge der benötigten großen Luftmenge der Kompressor
zu teuer wurde. In der Medizintechnik, oder bei der Luftbefeuchtung,
werden Flüssigkeiten
ebenfalls mittels Druckluft zerstäubt. Bei Gasturbinen für flüssige Brennstoffe,
sind ebenfalls Zweistoffdüsen. üblich. Nicht
zu vergessen die luftunterstützten
Einspritzdüsen
bei Verbrennungsmotoren.
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Eine der bekannten Zweistoffdüsen ist
die Syphon-Luft/Öl-Düse, wie
sie in der Feuerungstechnik häufig
verwendet wurde. In einem Katalog der Firma DELAVAN wird ein solche
Düse mit
der Bezeichnung SNA beschrieben. Es handelt sich hier um eine Düse mit äußerer Mischung.
Bei dieser Konstruktion ist stromauf der Düsenbohrung ein Drallkörper für die Zerstäubungsluft
angeordnet. Stromab dieses Drallkörpers sitzt zentrisch in der
Düsenöffnung ein
konisch auslaufendes Röhrchen, über welches
der Brennstoff zugeführt
wird. Zwischen der Düsenbohrung
und diesem Röhrchen
entsteht ein Ringspalt, über
den die verdrallte Luft ausströmt.
Der dabei entstehende Unterdruck saugt aus der Bohrung Brennstoff
an. Der aus dieser Öffnung
austretende Brennstoffstrahl wird von der mit großer Geschwindigkeit ausströmen den Luft
zerstäubt.
Der eigentliche Zerstäubungsvorgang
erfolgt aber auf einem relativ kurzen Weg außerhalb der Düse. Auch
bei diesem System ist der hohe Luftbedarf nachteilig. Bei einem Druck
von 0,35 bar ist eine Luftmenge von mindestens 1 m3Jh erforderlich,
allerdings ist bei diesem geringen Luftdruck nur eine ungenügende Zerstäubung zu
erzielen. Bei einem größeren Feintropfenanteil
ist ein Zerstäubungsdruck
von 0,6 – 1,0
bar nötig,
wobei der Luftdurchsatz weit über
1 m2/h pro Liter Flüssigkeit ansteigt. In der Medizintechnik
wird mit noch höherem
Luftdruck gearbeitet. Düsen
mit äußerer Mischung
besitzen auch noch den Nachteil, dass der Sprühkegel sehr spitz ist, was
insbesondere bei Brennern zu einer ungünstigen Brennstoffverteilung in
der Flamme führt.
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In der
DE 195 35 195 ist eine Druckzerstäuberdüse für Brennersysteme
beschrieben, welche weit stromauf von der Austrittsbohrung entfernt
im zylindrischen Teil Nuten in der Form eines mehrgängigen Steilgewindes
aufweist, um der Zerstäubungsluft einen
Drall zu verleihen. Danach folgt stromab ein konischer Ringspalt,
an dessen engster Stelle der Brennstoff zugeführt wird. Im Prinzip handelt
es sich hier um eine Art außen
mischende Düse,
denn es wird lediglich die Luft verdrallt, nicht jedoch das Gemisch.
Der groß dimensionierte
Dom, welcher weit aus der Düsenbohrung
herausragt, bietet dem Brennstoff eine so große Fläche, welche nur mittels einer
reichlichen Luftmenge freigeblasen werden kann. Zudem erfordert
der Dorn eine sehr große
Düsenbohrung,
so dass der Ringspalt extrem eng wird, wenn man den Luftstrom begrenzen
möchte,
was dann wieder die Verschmutzungsgefahr steigert.
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In der
EP
0 566 855 wird eine echte innen mischende Düse beschrieben,
deren Konstruktionsmerkmale sich aber vorzugsweise auf ein integriertes Rückschlagventil
beziehen. Auch diese Konstruktion ist auf einen hohen Luftdurchsatz
ausgelegt.
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Offenbar war man immer der Ansicht,
dass das Massenstromverhältnis
zwischen Gas und Fluid mindestens 1:1 betragen müsse. Das ist auch der Grund
dafür,
dass man in der Vergangenheit Düsen immer
so auslegte, dass pro Liter Flüssigkeit
mindestens 1 m3 Zerstäubungsluft durchgesetzt wurde.
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Vorteile der
Erfindung
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Um den Luftverbrauch zu senken, kann
nicht einfach nur die Dimensionierung der Einzelteile reduziert
werden, es müssen
vielmehr andere Konfigurationen des Düsendesigns entwickelt werden.
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Die erfindungsgemäße Düse ermöglicht es, mit einer Zerstäubungsluftmenge
von teilweise weniger als 80 % gegenüber den bekannten Konstruktionen
zu arbeiten. Aus diesem Grund ist infolge der Einsparung an Zerstäubungsluft
ein wesentlich kostengünstigerer
Betrieb möglich.
Vor allem deswegen, weil durch den geringen Luftbedarf äußerst preiswerte
Kompressoren verwendet werden können.
Ferner sind mit der neuen Düsenkonstruktion
wesentlich größere Sprühwinkel
zu erzielen, wodurch sie insbesondere für die Verwendung in der Feuerungstechnik geeignet
ist.
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Zeichnung
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In der Zeichnung sind Erfindungsbeispiele
in 4 verschiedenen Figuren dargestellt.
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Beschreibung des Erfindungsbeispiels
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Die Zeichnung zeigt in i ein Erfindungsbeispiel im Schnitt, mit
dem Düsenkörper 1,
der Düsenbohrung 2,
welche stromauf mit dem Innenkonus 3 versehen ist. Koaxial
dazu sitzt der kegelige Teil 7 des Drallkörpers 4,
welcher wegen der besseren Übersicht
lediglich zwei der Drallschlitze 6 zeigt. Der Anschlusszapfen 18 wird
durch das Gewinde 13 in den Düsenkörper 1 eingeschraubt
und drückt
dabei den Drallkörper 4 mit
seinem kegeligen Teil 7 dichtend in den Innenkonus 3 des
Düsenkörpers 1.
Zu den Drallschlitzen 6 führen die Bohrungen 8,
welche mit dem zentralen Fluidkanal 9 verbunden sind. Die Düse ist im
Betrieb mittels des Gewindes 10 in einen hier nicht gezeigten
Düsenhalter
eingeschraubt.
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Der Düsenhalter weist neben dem Gewinde für die Düse auch
noch die Anschlüsse
für das
Fluid und das gasförmige
Zerstäubungsmedium
auf. Der O-Ring 12 dichtet in Verbindung mit dem hier nicht gezeigten
Düsenhalter
den Brennstoff von der Zerstäubungsluft
ab. Die Flüssigkeit
strömt über den
Kanal 9 zu den beiden Bohrungen 8, welche in die
beiden dargestellten Drallschlitze 6 münden. Die Zerstäubungsluft
strömt
in dem Ringspalt 11 zwischen dem Düsenkörper 1 und der dem
zylindrischen Teil des Drallkörpers 4 zu
den Drallschlitzen 6; das Gewinde 13 am Anschlusszapfen 18 ist
zu diesem Zweck mit den Schlitzen 14 versehen. Das Fluid muss
mit etwas höherem
Druck zuführt
werden als ihn die Zerstäubungsluft
aufweist. Durch die tangential in die Drallkammer 15 einmündenden
Drallschlitze 6 wird ein Wirbel erzeugt. Sollte eine Düse mit 4 oder
6 Drallschlitzen ausgestattet sein, ist es sinnvoll, dass die Fluidzufuhr
trotzdem lediglich an 2 Schlitzen erfolgt.
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Der über die Drallschlitze 6 tangential
eingeleitete Brennstoff wird bereits innerhalb der Drallschlitze
vorgemischt und schließlich
durch den Luftwirbel in der Drallkammer 15 auf eine hohe
Geschwindigkeit gebracht und mit der restlichen Zerstäubungsluft
gemischt, falls der Drallkörper
mehr als 2 Drallschlitze aufweißt.
Wenn nun dieses verdrallte Gemisch durch die Düsenbohrung 2 strömt und dabei zwangsläufig noch
weiter beschleunigt wird, erfolgt die Zerstäubung in feinste Tröpfchen,
sobald das Gemisch die Düsenbohrung 2 verlässt. Stromab
der Drallschlitze 6 läuft
der Drallkörper
in den Verdrängungskegel 5 aus,
so dass die Drallkammer 15 die Form eines Hohlkegels bekommt.
Wie die Zeichnung 2 in
vergrößerter Darstellung
zeigt, werden Luft und Brennstoff von zwei sich gegenüber liegenden Drallschlitzen 6 zugeführt, welche
mit den Brennstoffbohrungen 8 versehen sind.
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Es ist theoretisch möglich, dass
bei sämtlichen
Drallschlitzen eine Bohrung zur Flüssigkeitszufuhr anzuordnen.
Es ist ferner möglich,
die Bohrungen 8 auch am zylindrischen Teil des Drallkörpers 4 anzubringen,
vorzugsweise unmittelbar an den Drallschlitzen, da an dieser Stelle
die Luftgeschwindigkeit größer ist
als am weiter stromauf gelegenen Bereich. Zudem wird auf diese Weise
die vom Fluid benetzte Fläche
gering gehalten. Die Anzahl der Drallschlitze und die Verteilung
der Bohrungen für
die Brennstoffzuführung
kann entsprechend den Erfordernissen angepasst werden. Ist der Querschnitt
der Bohrungen 8 größer als
der Gesamtquerschnitt der Drallschlitze, kann in der Fluidzufuhr
nur eine geringe Druckdifferenz eingestellt werden, was in der Praxis sehr
schwierig ist. Das bedeutet, dass der Flüssigkeitsdruck immer nur geringfügig über den
jeweiligen Luftdruck liegen darf, weil sich sonst in der Mischzone
für Fluid
und Luft ein zu hoher Druck des Fluids aufbaut, welcher verhindert,
dass Zerstäubungsluft einströmen kann.
Der Grund für
diesen Druckaufbau liegt darin, dass bei der geringen Zerstäubungsluftmenge
keine ausreichend schnelle Strömung
der Luft zustande kommt, welche sonst an den Bohrungen der Fluidzufuhr
einen Unterdruck erzeugt. Im Extremfall könnte es bei zu geringen Druckdiffenzen
sogar vorkommen, dass das Fluid in die Luftzuleitung strömt und die
Düse so
nicht mehr funktioniert.
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Um nun ohne ständige Anpassung des Luftdrucks
einen großen
Leistungsbereich der zerstäubten
Flüssigkeitsmenge
zu erzielen ist es erforderlich, dass der Querschnitt der Bohrungen 8 so
klein gehalten wird, dass sich beim geplanten Umfang des Fluiddurchsatzes
in den Bohrungen 8 ein Druckgefälle aufbaut. Der Druck der
zugeführten
Flüssigkeit
sollte im Minimalbereich mindestens 0,2–0,3 bar höher liegen als der Druck der
Zerstäubungsluft.
Auf diese Weise kann bei konstantem Luftdruck allein über die Steigerung
des Flüssigkeitsdruck
eine große
Durchsatzbreite eingestellt werden, welche etwa bei 1 : 15 liegt.
Wird ein kleinerer Regelbereich angestrebt, oder soll die Düse nur für eine bestimmte
Leistung ausgelegt werden, können
die Bohrungen 8 einen größeren Querschnitt aufweisen.
Wird der Querschnitt aller Drallschlitze 6 durch den Querschnitt
aller Bohrungen 8 dividiert, muss das Resultat eine Zahl > 1,5 ergeben. Bei diesem
Verhältnis
ist sichergestellt, dass die zuvor beschriebenen Funktionen erreicht
werden. Bei kleinen Durchsätzen
ist die Größe dieser
Zahl nur durch den kleinsten Durchmesser der Bohrungen 8 begrenzt,
welche nicht mehr herstellbar sind und die auch in der Praxis zu
empfindlich gegen Verschmutzung würden.
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In der ebenfalls vergrößerten Darstellung
der 3 ist deutlicher
zu sehen, dass der kegelige Teil 7 des Drallkörpers 4,
welcher stromab der Drallschlitze liegt, mit dem Verdrängungskegel 5 versehen
ist. Durch die Ausbildung der Düsenbohnmg 2 und
der Form eines Stiftes 19, kann die Form des Sprühkegels
stark beeinflusst werden. Der Verdrängungskegel 5 kann
je nach gewünschtem
Durchsatz und Sprühkegel
im gleichen Winkel wie der Kegel 7 des Drallkörpers ausgeführt sein – z.B. 120°, was z.B.
bei Ölbrennerdüsen üblich ist – er kann
auch einen geringeren Winkel aufweisen. Ist dieser Winkel spitzer – z.B. 90° – so kann
der Verdrängungskegel 5 auch ohne
die Ausbildung zum Stift 19 weiter in die Düsenbohrung 2 hineinragen
und so den Sprühkegel
beeinflussen. Ist der Winkel des Verdrängungskegels 5 kleiner
als jener an der Innenseite der Düse, wird der Ringspalt 15 zwischen
dem Verdrängungskegel 5 und
dem spiegelbildlichen Konus 3 an der Düsenbohrung 2 konisch.
Auf diese Weise liegt die engsten Stelle dieses konischen Ringspalts
an der Mündung der
Düsenbohrung 2,
so dass an dieser Stelle die höchste
Ausströmgeschwindigkeit
zustande kommt.
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Damit das Gemisch aus der Düsenbohrung mit
der optimalen Geschwindigkeit für
eine gute Zerstäubung
austritt, ist es erforderlich, dass die Düsenbohrung 2 und der
Ringspalt 15 in ihrem Querschnitt aufeinander abgestimmt
sind. Ist die Düsenbohrung im
Verhältnis
zum Ringspalt zu groß,
wird die Ausströmgeschwindigket
zu gering werden. Es hat sich gezeigt, dass je nach Auslegung der
Düse der
Querschnitt der Bohrung und der Querschnitt der des Ringspalts – an der
Stelle gemessen, wenn der Durchmesser der Düsenbohrung (2) axial
bis auf den Verdrängungskegel
s verlängert
würde – in einem
bestimmten Verhältnis
stehen sollten: Wird der Querschnitt der Düsenbohrung 2 und der
freie Querschnitt des Ringspalts 15 multipliziert, muss
dies eine Zahl zwischen 0,1 und 1 ergeben, bezogen auf einen Fluiddurchsatz
von maximal 3 l/h. Wird eine Düse
für einen
größeren Durchsatz
ausgelegt, z. B. maximal 6 l/h – dies
entspricht der zweifachen Menge der vorherigen Leistungsstufe – so werden
die genannten Richtzahlen von 0,1 bis 1 mit 2 maltipliziert.
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Der Verdrängungskegel 5 kann
auch als axial bewegliche Düsennadel
ausgebildet sein. Als Einspritzventil kann dann diese Düsennadel
die Düsenbohrung
abdichten. Diese Ventilwirkung ist unter Umständen auch bei Ölbrennern
sinnvoll, wenn beim Abschalten des Brenners der Gemischstrom schnell
unterbrochen werden soll. Ebenso kann innerhalb der Düse selbst
ein Abschlussventil für
das Fuid angeordnet werden.
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Wird die beschriebene Düse in einem
Brenner verwendet ist es erforderlich, dass der Fluidstrom beim
Abschalten des Brenners möglichst
schnell unterbrochen wird. Um dieses Ziel zu erreichen sollte das
Brennstoffvolumen innerhalb der Düse möglichst gering sein. Insbesondere
auch in dem Teil der Düsenkonstruktion,
wo Fluid und Zerstäubungsluft
aufeinander treffen. Aus diesem Grund sind die Bohrungen 8,
welche den Brennstoff zuführen,
innerhalb der Drallschlitze 6, oder unmittelbar an deren
Einmündung
angeordnet. Für
Düsen kleiner
Leistung kann es schwierig sein, Bohrungen mit derart geringem Durchmesser
herzustellen, aus diesem Grund wird in 4 ein wesentlich kürzerer Drallkörper 4 dargestellt,
welcher an der Nahtstelle zwischen dem Drallkörper 4 und des Anschlusszapfens 18 anstatt
der Bohrungen 8 die Zuführungsschlitze 17 aufweist, welche
durch Sägen
wesentlich problemloser hergestellt werden können. Insbesondere ist es auf
diese Weise auch möglich,
sehr lange Schlitze herzustellen, als etwa kleine Bohrungen großer Länge. Wie vorher
schon dargelegt, kann dies vorteilhaft sein, da in langen Zuführungskanälen ein
großes
Druckgefälle
zustande kommt.
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Es ist ferner sinnvoll, innerhalb
der Düse
ein Filter anzuordnen, damit speziell bei Düsen kleiner Leistung Schmutzteilchen
aufgegfangen werden. Innerhalb des Drallkörpers 6 und in einer
vorzusehenden Kammer im Anschlusszapfen 18 können problemlos
Filterkörper
eingesetzt werden.