DE10304386A1

DE10304386A1 - Doppelfluid-Verwirbelungsdüse mit selbstreinigendem Zapfen

Info

Publication number: DE10304386A1
Application number: DE10304386A
Authority: DE
Inventors: Tai-Yen Sun; Shu-Hsien Wei
Original assignee: Sun Tai-Yen South Euclid; Wei Shu-Hsien South Euclid
Current assignee: Sun Tai-Yen South Euclid; Wei Shu-Hsien South Euclid
Priority date: 2002-02-07
Filing date: 2003-02-03
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2023-02-04
Also published as: DE10304386B4; US6669115B2; US20030146301A1

Abstract

Eine Düse zum Ausbringen fein zerstäubter Fluide umfasst eine Wirbelmischeinrichtung 3 mit einer Mischkammer 32 zusammen mit mindestens einem Flüssigkeitseinlass 35, der tangential mit der Kammer 32 in Verbindung steht, und mindestens einem Gaseinlass 98, der axial mit dem Flüssigkeiteinlass in Verbindung steht, bevor die Einspritzung in die Mischkammer 32 erfolgt, worin das Mischfluid aus Flüssigkeit und Gas in eine Wirbelströmung gerät, sich die beiden Fluide miteinander vermischen und ein mit Blasen geladenes Fluid bilden. Ein Auftreffglied 66, welches an der stromabwärts gerichteten Seite eines praktisch konzentrisch montierten Zapfenschaftes 62 angeordnet ist, erfüllt die Funktion einer Strömungsmesseinrichtung und bildet einen Sprühwinkel, wobei es zugleich sicherstellt, dass die Strömungsverteilung axialsymmetrisch sowohl bezüglich der Masse als auch der Geschwindigkeit bleibt und ein Strömungsfeld bildet, welches einen ungestörten Drehimpuls aufweist. Ein Gasdurchlass 65, welcher im Zapfenschaft angeordnet ist und einen Auslass zur stromabwärts gelegenen Seite eines Ablenkungsteiles 64 besitzt, dient zur Säuberung der Zapfenoberfläche, was die Ablagerung von großen Tropfen auf der Zapfenoberfläche verhindert, jegliche Ansammlung unerwünschter harter Restschichten ausschließt und eine Oberflächenkühlung für Anwendungszwecke bei hoher Temperatur bewirkt.

Description

Die Erfindung betrifft Zerstäubungsdüsen und insbesondere Doppelfluid-Zerstäuber, welche die Merkmale des Vermischens von Brennstoff und Gas durch Ineinanderführen (doubledipped mixing) sowie der Selbstreinigung des Zapfens aufweisen, um Sprühnebel mit äußerst feinen Tropfen zu erzeugen.
Die Flüssigkeitszerstäubung ist eine der wirksamsten Verfahren zur Herstellung einer Flüssigkeit mit maximierter Gesamtoberfläche für verschiedene technische Anwendungen, wie beispielsweise dem Versprühen in der Landwirtschaft, dem Abkühlen durch Verdampfen, dem Trocknen einer Aufschlämmung, dem Waschen von Rauchgasen, dem Sammeln von Staub und der Verbrennungstätigkeit eines Ölbrenners. Es gibt zwei Arten von Zerstäubungstechniken, die bei der Zerstäubung durch Düsen angewandt werden: Das Zerstäuben durch Druck (Einzelfluid) und das Doppelfluid-Zerstäuben. Der Druckzerstäuber mit Einzelfluid erzielt eine Zerstäubung von Tröpfchen durch die Umformung der Druckenergie der Flüssigkeit in die Ausbildung eines Strahls oder eines Vorhanges der Flüssigkeit von hoher Geschwindigkeit beim Austreten aus dem Zerstäuber. Der austretende Strahl oder Vorhang von hoher Geschwindigkeit wird durch das umgebende Luftfeld, welches angrenzend an dem Zerstäuberausgang induzierte turbulente Energie aufweist, weiter aufgeteilt. Dieser Zerstäuber findet für Anwendungsbereiche mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit weite Verbreitung. Beim Erfordernis einer hohen Strömungsgeschwindigkeit wird jedoch der Vorhang bzw. Strahl mit hoher Geschwindigkeit, der aus einem Druckzerstäuber austritt, wesentlich dicker, was es schwieriger macht, ihn durch lediglich die Umgebungsluft zu zerstäuben. Ein Gegenmittel besteht darin, eine Doppelfluid-Düse zu verwenden, welche unter Druck gesetztes Gas einleitet, um es mit der Flüssigkeit vor der Ausspritzung zu vermischen und auf diese Weise die Zerstäubung bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten zu verbessern. Während des Betriebes, wird, mikroskopisch betrachtet, Gas unter Druck eingeleitet, damit es sich mit der Flüssigkeit in der Düsenkammer vermischt und diese verrührt, um zahlreiche winzige Gasblasen zu erzeugen, die in der Flüssigkeit eingeschlossen sind, was dazu führt, daß die Viskosität und die Oberflächenspannung der Flüssigkeit stark verringert (blasenbeladenes Fluid) und wesentlich feinere Sprühnebel erzeugt werden. Technisch sind zwei Zerstäubungsmechanismen bei diesem Verfahren zum Aufbrechen der Flüssigkeit beteiligt. Die primäre Zerstäubung wird am Auslaßpunkt der Düse durch die plötzlich erfolgende Ausdehnung der umschlossenen Blasen in der Flüssigkeit erreicht, wenn sie einer Druckverminderung unterliegen, wodurch ein sich schnell bewegender, dichter Sprühnebel aus feinen Tropfen gebildet wird. Die sekundäre Zerstäubung wird daraufhin durch die turbulente Scherkraft aus der umgebenden Luft bewirkt, welche die sich mit hoher Geschwindigkeit bewegenden Tropfen in einen noch feineren Sprühnebel aufbricht. Das zuletzt genannte Verfahren stimmt mit dem Zerstäubungsmechanismus des Druckzerstäubers überein, wie er oben beschrieben worden ist. Allgemein besitzt die Doppelfluid-Düse einen weiteren Einsatzbereich bei technischen Anwendungen wegen der Möglichkeit einer viel höheren Strömungsgeschwindigkeit und wegen der viel feineren Tropfen, die über einen verhältnismäßig breiten Betriebsbereich erzeugt werden (auch Zerkleinerungsverhältnis genannt).
Bezüglich der Doppelfluid-Düse ist in 8 der Zeichnungen eine verhältnismäßig wirksame Vorrichtung des Standes der Technik dargestellt. Diese Düse verwendet eine Düsenkappe 1000 zur Mithilfe bei der Herstellung von Flüssig keitströpfchen. Die Düsenkappe 1000 umfaßt einen äußeren Rahmen 1005, einen Zapfen 1010 und Trägerspeichen 1015, um den Zapfen 1010 mit dem äußeren Rahmen 1005 zu verbinden und ihn dort zu haltern. Der Zapfen besteht aus einer Einlaß-Prallplatte 1020, einem sich verjüngenden Schaft 1025 und einer Auslaß-Ablenkplatte 1040 (9). Die Funktion dieser bekannten Vorrichtung besteht darin, daß ein Flüssigkeitsstrom auf die Prallplatte 1020 senkrecht auftrifft, um Flüssigkeitsüberzüge auf der Oberfläche von sowohl Platte 1020 als auch Speichen 1015 auszubilden. Die wirbelnde Zerstäubungsluft, welche von einer (nicht dargestellten) Stelle stromaufwärts der Prallplatte eingeleitet wird, wird anschließend mit den Flüssigkeitsüberzügen in dem Durchtritt zwischen den Speichen sowie in dem stromabwärts gerichteten ringförmigen Durchtritt, der durch die äußere Oberfläche des Zapfens 1025 und der Innenoberfläche 1035 des Rahmens 1005 festgelegt wird, vermischt. Ein weiteres Beispiel des Standes der Technik ist in 10 dargestellt. Diese Vorrichtung modifiziert die Vorrichtung gemäß 8 dadurch, daß Absperrnasen 1051 auf den Speichen 1052 vorgesehen sind, um den Betrieb der Düse dadurch zu verbessern, daß man die Menge an Flüssigkeit, die auf den Speichen entlang fließt, während sich Flüssigkeit und Luft in der Düse vermischen, vermindert.
Diese Vorrichtungen sind zur Erzielung eines Vermischens und Zerstäubens von Gas und Flüssigkeit verhältnismäßig wirksam, unterliegen jedoch mehreren Einschränkungen.

1. Wenn die Düse dazu verwendet wird, Flüssigkeit mit abschmirgelnden Teilchen oder Verunreinigungen einzublasen, kann auf den Speichen 1015 oder 1052 eine Erosion stattfinden, was zur Schädigung des Zapfens und damit zum Versagen der Düse führen kann.
2. Wenn die Verwirbelungsluft, welche in die (nicht dargestellte) Mischkammer der Düse eingeführt wird, mit der Flüssigkeit auf der Oberfläche von sowohl Prallplatte 1020 als auch Speichen 1015 vermischt wird, können stromabwärts von diesen Speichen mehrere aerodynamische Wirbelschleppen erzeugt werden. In dem Wirbelschleppen-Bereich der Düsenkammer (stromabwärts der Speichen 1015) werden sowohl Geschwindigkeit als auch Drehimpuls des vermischten Fluids beträchtlich verringert, und ihre Verteilung kann nichtaxialsymmetrisch abgeschrägt werden. Das abgeschrägte Strömungsmuster verstärkt sich danach durch den Düsenausgang hindurch und führt zu uneinheitlichen Sprühnebeln. Dieses Ergebnis kann den Betrieb der Düse bei mehreren weithin angewandten Verwendungsarten stark beeinträchtigen, beispielsweise bei Öfen mit technischen Ölbrennern, wenn es darauf ankommt, daß die Gleichmäßigkeit eines Sprühnebels sowie sein gut aufrecht erhaltenes Drehmoment entscheidend dazu beitragen, die Flammen in dem Brenner zu stabilisieren.
3. Wenn ein Sprühnebel nach dem Auftreffen auf die Ablenkungsplatte 1040 gebildet wird, wird auch in der Mitte des Sprühnebels angrenzend an die Oberfläche 1040 der Ablenkungseinrichtung 1039 ein axialsymmetrischer Rückführungsbereich mit niedrigerem Druck gebildet. In dieser Rückführungszone von niedrigem Druck werden feine Tröpfchen in dem Sprühnebel nach rückwärts in Richtung auf die stromabwärts liegende Oberfläche der Ablenkungseinrichtung gesaugt und bilden dort große Tropfen auf der Oberfläche, was als erneutes Anhaften bezeichnet wird. Dieser Vorgang beeinträchtigt die Qualität des Sprühnebels in einigen Fällen ganz beträchtlich. Beispielsweise bei der Verbrennung in einem Ölbrenner oder beim Erhitzen von Aufschlämmungen können, wenn die Strahlungswärme im Ofen die Oberflächentemperatur der Ablenkeinrichtung erhöht, einige zurückgeführte feine Tropfen im Sprühnebel, die sich auf der stromabwärts gelegenen Oberfläche 1040 der Ablenkeinrichtung ansammeln, Schichten aus getrockneten Ablagerungen oder Verkokungen bilden. Mit der Zeit können die erhärteten Aufschlämmungsablagerungen oder Verkokungsschichten im Ölbrennergehäuse auf dem Rand der Ablenkungseinrichtung die scharfen Ränder abrunden und stumpf machen und somit bewirken, daß der Sprühwinkel verringert wird, was zu einer Erhöhung der Anzahl von großen Tropfen im Sprühnebel führt. Düsen unter dieser Belastung können die Qualität der Pulverherstellung bei Verfahren zur Trocknung von Aufschlämmungen beeinträchtigen. Sie können auch die Auskleidung eines Brenners schwer beschädigen und zu instabilen Flammen führen. Die Abscheidungs- oder Verkokungsschicht auf der Zapfenoberfläche im Ölbrenner führt außerdem zur Bildung von heißen Stellen auf der Zapfenoberfläche selbst und schließlich zur Beschädigung des Zapfens und zum Versagen der Düse.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Düse zum Versprühen einer Flüssigkeit, welche die genannten Nachteile nicht aufweist.
Gegenstand der Erfindung ist die in Anspruch 1 angegebene Sprühdüse.
Erfindungsgemäß umfaßt eine Verwirbelungsmischeinrichtung zwei neue Merkmale. Erstens werden ein Flüssigkeitsstrom und ein Gasstrom vorgemischt, indem man beide in dieselben Verwirbelungsschlitze einleitet, bevor sie in die ringförmige Mischkammer der Einrichtung gelangen. Zweitens ist ein Zapfen in der Mitte montiert und mit einem Selbstreinigungsmerkmal ausgestattet. Durch diese Mischeinrichtung mit Ineinanderführen der Fluide wird die Wirksamkeit der Vermischung zwischen Flüssigkeit und Gas stark verbessert, und die Größe der Mischeinrichtung kann im Vergleich mit dem Stand der Technik stark verringert werden, wobei gleichmäßigere feine Sprühnebel mit hohem Zerkleinerungsverhältnis erhalten werden. Die Anordnung mit dem in der Mitte montierten Zapfen eliminiert die Möglichkeit einer Beschädigung des Zapfens durch die Erosion der Speichen, wie sie sich hinsichtlich der Einrichtungen des Standes der Technik dargelegt (8 und 10), vollständig und ermöglicht eine ungestörte ringförmige Mischkammer zur Erzeugung eines gut vermischten Fluids mit hohem Drehimpuls. Das Merkmal der Selbstreinigung auf dem Zapfen dient zur Verbesserung der Sprühnebelqualität und zur Erhöhung der Zeitdauer zwischen den Wartungen der Düse und ist außerdem vorteilhaft bei einer Brenneranwendung, bei der die Abkühlung der heißen Oberfläche der Ablenkungseinrichtung erforderlich ist. Im einzelnen wird das Selbstreinigungsmerkmal bei dem Zapfen durch eine in der Mitte gebohrte Öffnung längs des Schaftes des Zapfens bis zur stromabwärts gerichteten Seite der Ablenkungsplatte, wo eine Reinigungsscheibe im wesentlichen konzentrisch zur stromabwärts gerichteten Oberfläche der Ablenkungseinrichtung montiert ist, erzielt. Dies bildet einen Durchlaß, der einen Teil des Zerstäubungsgases von der Druckquelle abzweigen und nach außen leiten kann, damit es als Reinigungsgas für die stromabwärts gelegene Oberfläche der Ablenkungsplatte dienen kann. Da das Reinigungsgas aus dem Schlitz auf der Ablenkungseinrichtung mit außerordentlich hoher Geschwindigkeit austritt, säubert es die Oberfläche und verhindert, daß zurückgeführte Tropfen die unerwünschte Ansammlung von Krusten auf der Oberfläche ausbilden, welche den Zapfen beschädigen und den Betrieb der Düse beeinträchtigen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert, worin bedeuten:
1 die Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer Doppelfluid-Düse mit selbstreinigendem Zapfensystem, das so aufgebaut ist, daß es erfindungsgemäß arbeitet, in auseinandergezogenem Zustand;
2 eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Wirbelmischeinrichtung 3 von 1 in auseinandergezogenem Zustand, von vorne gesehen;
3 eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Wirbelmischeinrichtung 3 von 1 in auseinandergezogenem Zustand, von hinten betrachtet;
4 einen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform einer Doppelfluid-Düse mit selbstreinigendem Zapfensystem, die derart aufgebaut ist, daß sie gemäß der Erfindung arbeitet;
5 eine Draufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform einer Doppelfluid-Düse, mit der Linie A – A, längs der der Längsschnitt gemäß 4 vorgenommen worden ist;
6 einen vergrößerten Teilquerschnitt des Reinigungsgasauslasses, der in der Zone der geschlossenen gestrichelten Linie in 4 dargestellt ist;
7 einen Längsschnitt einer weiteren Ausführungsform einer Wirbelmischeinrichtung gemäß der Erfindung, kombiniert mit einer konvergierenden und divergierenden (Venturi-)Düsenöffnung, welche mit einem kegelförmigen Ablenkungskopf gekoppelt ist;
8 eine perspektivische Ansicht einer Düsenkappe gemäß dem Stand der Technik, von hinten gesehen;
9 eine perspektivische Ansicht einer Düsenkappe gemäß dem Stand der Technik, von vorne gesehen, und
10 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Düsenkappe gemäß dem Stand der Technik, von hinten gesehen.
Eine bevorzugte Ausführungsform einer Düse, wie sie in 1 dargestellt ist und wie sie aufgebaut ist, daß sie gemäß der Erfindung arbeiten kann, umfaßt eine Wirbelmischeinrichtung oder einen Wirbelmischmodul 3, eine Überwurfmutter oder einen Moduladapter 1 und ein Halterungsteil 9.
Der Wirbelmischmodul 3 (2, 3 und 4) umfaßt ein Verwirbelungsgehäuse 30, einen Düsenöffnungskörper 50, einen Zapfenkörper 60 und eine Scheibe 80. Das Verwirbelungsgehäuse 30 ist praktisch ein zylindrischer Körper, in den eine Mischkammer 32 von der Oberfläche 34 bis zur Oberfläche 36 gebohrt worden ist. An dem Ende der Oberfläche 34 ist auch eine konische, konvexe Oberfläche 38 mit einem eingeschlossenen Winkel ausgebildet, welcher im Bereich von 90 bis 150° liegt, um einen selbst ausgerichteten Oberflächenkontakt während der Montage mit der passenden Oberfläche des Düsenöffnungskörpers 50 zu bewerkstelligen. Am anderen Ende des Verwirbelungsgehäuses 30 (3) ist von der Oberfläche 42 bis zur Oberfläche 44 eine Pufferkammer 40 gebohrt. Mehrere in gleichem Abstand angeordnete Schlitze 35 sind in der zylindrischen Wand der Mischkammerseite eingearbeitet, um Verbindungswege von der Außenseite des Gehäuses in die Mischkammer 32 herzustellen. Diese Schlitze sind praktisch tangential auf der Wand hergestellt, so daß, wenn die Flüssigkeit von der Außenseite des Körpers in die Kammer 32 durch diese Schlitze hindurchgeführt wird, ein verwirbelnder Strom erzeugt wird. In jedem Schlitz ist auch eine Öffnung 37 parallel zur Zylinderachse des Verwirbelungsgehäuses vom Boden des Schlitzes aus durch die Decke, die durch die Oberflächen 36 bzw. 44 des Verwirbelungsgehäuses definiert wird, und nach oben bis zu einer bestimmten Höhe (Oberfläche 46) in der Wand der Pufferkammer 40 gearbeitet, beispielsweise gebohrt. Wie aus den 2 und 3 ersichtlich, sind die Öffnungen 37, welche einen Durchmesser aufweisen, der nicht größer ist als die Breite des Schlitzes, in dem Schlitz angeordnet und liegen mit ihrem Rand sehr dicht am Rand der Mischkammer. Die Gasöffnungen 37 sind, von der Seite der Pufferkammer aus betrachtet, teilweise in die Wand der Pufferkammer und nach oben bis zur Höhe der Oberfläche 46 gebohrt. Die Entfernung zwischen Oberfläche 46 und Oberfläche 44 ist vorbestimmt, um sicherzustellen, daß die Strömungsdurchlaßöffnung von der Kammer 40 bis zu der Öffnung 47 größer ist als die Querschnittsfläche der Öffnung 37 selbst. Diese Anordnung soll dazu dienen, den ausgesetzten Abschnitt der Öffnung 37 in der Pufferkammer als Leiteintritt zu nutzen, um das Gas durch die Öffnung hindurch in die mit Flüssigkeit gefüllten Schlitze zu leiten und das Mischen zu initiieren, welches von der Erzeugung eines turbulenten Wirbels gefolgt wird, wenn das vermischte Fluid in die Mischkammer eintritt. Unter einigen anderen Bedingungen, wenn die Mischkammer kleiner sein soll als üblich und wie dargestellt oder wenn die Gasöffnung 37 in einem schrägen Winkel (nicht dargestellt) zur Achse des Gehäuses 30 gebohrt ist, kann es sein, daß die Öffnungen 37 nicht in die Wand der Pufferkammer eingelassen sind und lediglich an der Decke 44 enden. Bei diesen Ausführungsformen ist die Funktion des Mischmoduls im Sinne der Erfindung gleich. Diese Anordnung gehört zu den Vorteilen einer Mischeffektivität zwischen Flüssigkeit und Gas durch Ineinanderführen mit sehr kompakter Verwirbelungsgeometrie, indem man erlaubt, daß beide Fluide durch dieselben tangential angeordneten Schlitze strömen.
Gemäß 2 und 3 wird ein zylindrischer Düsenöffnungskörper 50 mit einer zentral gebohrten Durchgangsöffnung 52 hergestellt, deren Größe den Innendurchmesser der Mischkammer 32 nicht übersteigt. Die stromaufwärts gelegene Oberfläche 54 des Düsenöffnungskörpers besitzt eine konischkonkave Form mit demselben eingeschlossenen Winkel, wie ihn die Oberfläche 38 des Verwirbelungsgehäuses 30 aufweist, nämlich von zwischen 90 und 150°, um beim Zusammenbau einen guten Verschluß zwischeneinander herzustellen. An der gegenüberliegenden Seite der Oberfläche 54 ist eine Flanschoberfläche 56 im wesentlichen senkrecht zur Körperachse als Flüssigkeitsverschluß ausgebildet, wenn der Verwirbelungsmodul 3 mit der Überwurfmutter 1 verbunden wird (1 und 4).
Der Außendurchmesser des Flansches (Oberfläche 59) ist derart bemessen, daß der Flansch mit dem passenden Teil des Adapters 1 nur einen geringen Abstand zu dem entsprechenden Teil des Adapters 1 aufweist, damit die Düse gerade eingestellt werden kann. Bei einer möglichen Ausführungsform der Erfindung ist die durchgehende Öffnung 52 des Düsenöffnungskörpers in der Form einer Venturidüse, wie beispielsweise bei der Düsenoberfläche 210 in 7 erkennbar, konstruiert, d.h. der Innendurchmesser der Wand verkleinert sich kontinuierlich längs des Düsendurchganges bis zu einem Minimum und vergrößert sich dann allmählich wieder. Diese Ausführungsform läßt sich auf Fälle anwenden, bei denen die Menge an Zerstäubungsgas verhältnismäßig gering ist und die Gleichmäßigkeit des vermischten Fluids hauptsächlich durch die Verteilung der Flüssigkeitsströmung bestimmt wird; dabei kann der sich verengende und wieder erweiternde Durchlaß nach Venturi ihr Verteilungsmuster maximal verbessern.
Gemäß 2 und 3 umfaßt der Zapfenkörper 60 einen praktisch zylindrischen Schaft 62 sowie einen Ablenkungskopf 64, welcher praktisch scheibenförmig ist und in der Mitte eine durchgebohrte Öffnung 65 aufweist. Auf dem Ablenkungskopf 64 steht die stromaufwärts gerichtete Oberfläche 66 praktisch senkrecht zur Achse des Zapfens, und der Außendurchmesser des Kopfes 64 ist geringfügig kleiner als der kleinste Durchmesser der Düsenöffnung 52. Diese Anordnung dient der Zugänglichkeit beim Zusammensetzen der gesamten Verwirbelungsmischeinrichtung. Auf der stromabwärts gerichteten Seite des Ablenkungskopfes ist konzentrisch auf der Oberfläche eine ringförmige Rille 68 vorgesehen, welche die restliche Oberfläche in zwei ringförmige Oberflächen 70 und 72 aufteilt. Die ringförmige Oberfläche 70 ist derart bearbeitet, daß sie ein bestimmtes Stück niedriger ist als die ringförmige Oberfläche 72. Mehrere Schlitze 74 (2), von denen vier dargestellt sind, sind auf der ringförmigen Oberfläche 72 in einem bestimmten Ausmaß eingeschnit ten, um radiale Leitungen zwischen der mittigen Öffnung 65 und der ringförmigen Rille 68 vorzusehen. Schließlich ist die Oberfläche 82 der Scheibe 80, welche keinen größeren Durchmesser als der Ablenkkopf 64 aufweist, praktisch konzentrisch auf der Oberfläche 72 befestigt, beispielsweise durch Schweißen. Bei dieser Anordnung ist zwischen der ringförmigen Oberfläche 70 auf dem Ablenkkopf und der Oberfläche 82 der Scheibe 80 ein Spalt 76 (6) gelassen. Beim Zusammenbau von Zapfenkörper 60 und Scheibe 80 wird im einzelnen ein Gasdurchlaß gebildet, der aus Öffnung 65, Schlitzen 74, ringförmiger Rille 68 und ringförmigem Spalt 76 besteht. Diese Anordnung wird danach mit der in der Mitte gebohrten Öffnung 39 an der Decke des Gehäuses 30 an einer vorherbestimmten axialen Stelle längs des Schaftes 62 des Zapfenkörpers 60 befestigt. Dadurch wird ein vorherbestimmter Spalt zwischen dem Auslaßrand 58 des Düsenöffnungskörpers 50 und der Ablenkungskopf-Oberfläche 66 ausgebildet, wenn sie zusammengesetzt sind. Der vorherbestimmte Spalt ist der Meßdurchlaß der Düse, welcher dazu dient, die Strömungskapazität sowohl für das Gas als auch für die Flüssigkeit wie auch die Form des Sprühwinkels festzulegen. Die Methoden der Befestigung des Zapfenkörpers 60 und des Gehäuses 30 können aus Schweißen oder aus anderen Maßnahmen, wie beispielsweise Befestigen durch Gewinde, bestehen.
Das Halterungsteil 9 (1 und 4) besteht aus einem Stab von Trommelschlegelform mit Außengewinden 92 an einer Seite und einer O-Ring-Dichtung 94 auf der anderen Seite. Eine mittige Öffnung 98 ist durch das Halterungsteil hindurchgebohrt. Die O-Ring-Dichtung 94 soll eine äußere Leitung zum Einführen von Gas in die Düse durch die zentrale Öffnung 98 anschließen. Bei einigen anderen Anwendungsarten gemäß der Erfindung kann die O-Ring-Dichtung durch ein (nicht dargestelltes) Innen- oder Außengewinde für Verbindungszwecke ersetzt sein. Auf der Außenfläche 104 des Halterungsteils 9 sind zwei parallele ebene Oberflächen 96 ausgebildet, damit die Drehung beim Zusammensetzung erleichtert wird. Durch das Gewinde 92 sind mit vorherbestimmter Breite und Tiefe mehrere in gleichem Abstand voneinander angeordnete Schlitze 100 axial eingeschnitten, um Flüssigkeitsleitungen für die zusammengesetzte Düse zu bieten, wenn sie in Betrieb ist.
Der Adapter oder die Überwurfmutter 1 (1 und 4), ausgestattet mit sowohl einem Außengewinde 14 als auch einem Innengewinde 12, beherbergt die Verwirbelungsmischeinrichtung 3 und das Halterungsteil 9. Stromabwärts vom Innengewinde 12 ist eine ringförmige Rille 16 in Fortsetzung des Gewindes 12 bis zur Oberfläche 18 gebohrt, und konzentrisch zwischen der Oberfläche 18 und der Oberfläche 20 ist außerdem eine paßgenaue Öffnung 19 übereinstimmend mit dem Flanschdurchmesser 59 des Düsenöffnungskörpers 50 gebohrt. Wenn die Durchwirbelungsmischeinrichtung 3 in die Überwurfmutter 1 eingesetzt wird (1 und 4), stößt die Flanschoberfläche 56 des Düsenöffnungskörpers 50 an die Oberfläche 15 der Überwurfmutter 1 an und bildet damit eine Dichtung. Das Verwirbelungsgehäuse 30 einschließlich dem Zapfenkörper 60 und der Scheibe 80 wird dann gleichzeitig von der rückseitigen Oberfläche 42 des Gehäuses aus durch die Oberfläche 102 des Halterungsteils 9 angedrückt. Durch die Andruckkraft von Halterungsteil 9 werden sowohl Verwirbelungsgehäuse 30 als auch Düsenöffnungskörper 50 in enge Berührung gebracht und zufolge der konischen Paßfläche, die auf beiden Teilen vorhanden ist, konzentrisch ausgerichtet. Dieselbe Kraft bewirkt außerdem eine dichte Abdichtung zwischen der Oberfläche 56 des Düsenöffnungskörpers 50 und der Oberfläche 15 der Überwurfmutter 1.
Eine mögliche Ausführungsform gemäß der Erfindung nutzt eine Kombination des Düsenöffnungskörpers 50 mit der Überwurfmutter 1 in Form eines (nicht dargestellten) einstöckigen Teils aus. In diesem Falle sind die Merkmale auf dem Düsenöffnungskörper 50, wie beispielsweise kegelförmige Oberfläche 54 und durchgehende Öffnung 52 Teil der Überwurfmutter 1. Diese Anordnung stellt eine sehr einfache Lösung dar, die sich durch eine verringerte Gesamtanzahl an Teilen auszeichnet, jedoch die Variierbarkeit zwischen der Überwurfmutter und der Düse einschränkt. Gelegentlich kann die Fähigkeit der Materialauswahl zwischen dem Düsenöffnungskörper 50 und der Überwurfmutter 1 wie bei der dargestellten Hauptausführungsform für den Erfolg bestimmter Düsenanwendungen ausschlaggebend sein.
Eine weitere mögliche Ausführungsform gemäß der Erfindung, wie sie in 7 dargestellt ist, besteht darin, daß die Durchgangsöffnung 210 des Düsenöffnungskörpers 200 als sich verengende und wieder erweiternde Durchlaßöffnung vom Venturityp ausgebildet ist. Diese Modifikation bündelt das Fluidgemisch zu einem verengten Querschnitt, bevor es in den Einspritzer austritt und macht auf diese Weise die Sprühnebelverteilung gleichmäßiger, wenn die Verbrauchsgeschwindigkeit des Zerstäubungsgases beschränkt ist.
Eine weitere mögliche Ausführungsform gemäß der Erfindung, wie sie in 7 dargestellt ist, besteht darin, daß die stromaufwärts gerichtete Oberfläche 320 des Ablenkungskopfes 310 auf dem Zapfenschaft 300 eine konische Form aufweist. Diese Modifikation ermöglicht alternative Wege zur Formung des Sprühwinkels durch den Winkel des Kegels des Ablenkungskopfes.
Nach der Einzelbeschreibung sämtlicher Teile der Vorrichtung gemäß der Erfindung wird angenommen, daß der Zweck und die Vorteile der Vorrichtung klarer dadurch beschrieben werden können, daß die Funktionsweise der gesamten Vorrichtung, wie sie in 1 und 4 dargestellt ist, erläutert wird. Die Verwirbelungsmischeinrichtung 3 ist in der Überwurfmutter 1 angeordnet, wo der Flansch 56 des Düsenöff nungskörpers 50 an die Oberfläche 15 der Überwurfmutter 1 anstößt. Das Halterungsteil 9 wird in das Innengewinde 12 der Überwurfmutter 1 eingeschraubt und dichtet gegen die Oberfläche 42 des Gehäuses 30 mit seiner Oberfläche 102 ab. Dadurch wird auch Flansch 56 des Düsenöffnungskörpers 50 durch die Oberfläche 15 der Überwurfmutter 1 abgedichtet. Während des Betriebs der Düse wird eine Flüssigkeit von einer stromaufwärts gelegenen (nicht dargestellten) Quelle aus in die Leitungen zwischen dem Gewinde 12 der Überwurfmutter und der Außenfläche 104 des Halterungsteils 9 gepumpt. Sie wird anschließend durch die Schlitze 100 auf das Halterungsteil 9 geführt und gelangt zwischen dem Gewinde 12 und der Außenfläche des Gehäuses 30 in die ringförmige Kammer, die durch die Rille 16 in der Überwurfmutter 1 und die äußere Oberfläche des Verwirbelungsgehäuses 30 festgelegt ist. Die Flüssigkeit wird danach in die tangential eingeschnittenen Schlitze 35 des Verwirbelungsgehäuses eingespritzt.
In der Zwischenzeit wird unter Druck gesetztes Gas aus einer (nicht dargestellten) Gasquelle dem Halterungsteil 9 zugeführt und gelangt durch dessen mittige Öffnung 98 in die Pufferkammer 40 des Verwirbelungsgehäuses 30. Die Hauptmenge des Gases, welches als Zerstäubungsgas dient, wird in die Öffnungen 37 an der Decke des Gehäuses 30 geführt und trifft auf die Flüssigkeit, welche durch die Schlitze 35 strömt. Das vorgemischte Fluid aus Flüssigkeit und Gas in den Schlitzen wird danach in die Mischkammer 32 unter Ausbildung von verwirbelten Strömungen eingespritzt. Während dieses Vorganges werden zahlreiche winzige Gasbläschen gebildet und von dem Fluid eingeschlossen. Das vermischte, mit Blasen beladene Fluid bewegt sich anschließend aus der Mischkammer durch den ringförmigen Durchlaß, der durch die Öffnung 52 des Düsenöffnungskörpers 50 und die Außenfläche des Schaftes 62 des Zapfens 60 festgelegt ist, und strömt nach unten in den Messungsabschnitt der Verwir belungsmischeinrichtung, welche durch die Entfernung zwischen dem Rand 58 des Düsenöffnungskörpers 50 und der Oberfläche 66 des Ablenkungskopfes 64 begrenzt ist. Wenn das mit Blasen beladene Fluid durch den Messabschnitt der Einrichtung strömt, beschleunigt die plötzliche Ausdehnung der Gasblasen in dem Fluid, welche durch die Druckminderung hervorgerufen wird, dessen Geschwindigkeit und bricht die Flüssigkeit zu feinen Tropfen auseinander. Die Hochgeschwindigkeitstropfen in diesem Strom erleiden dann eine sekundäre Zerstäubung, die durch das durch Turbulenz induzierte Strömungsfeld der Umgebung verursacht wird. Ein vorherbestimmter Anteil an Gas, das sogenannte Reinigungsgas, in der Pufferkammer 40 des Verwirbelungsgehäuses 30 wird in der Zwischenzeit, wie in 6 dargestellt, durch die zentrale Öffnung 65 im Zapfenkörper 60, durch die Schlitze 74, die ringförmige Rille 68 auf dem Ablenkungskopf 64 und durch den Spalt 76 geleitet, wobei er den Rand der stromabwärts liegenden Oberfläche 70 des Ablenkungskopfes 64 gründlich säubert.
Es wurde somit gefunden, daß die Wirkungsweise der Düse und ihre Lebensdauer aus den folgenden Gründen stark verbessert worden sind. Die Einleitung von sowohl Brennstoff als auch Gas in dieselben tangential geschnittenen Schlitze auf der Mischeinrichtung führt erstens nicht nur zu einer Verbesserung der Mischung der beiden Fluide in einem kompakteren Verwirbelungsmuster, sondern verbessert auch das Zerkleinerungsverhältnis der Düse zufolge eines stabileren aerodynamischen Verwirbelungsstroms, der sich unter Bedingungen von niedrigeren Strömungsgeschwindigkeiten bildet. Durch Einführung des Zapfenschaftes mit einer Gasreinigungseinrichtung unmittelbar an die Decke des Gehäuses 30 werden zweitens sowohl die Möglichkeit eines durch Erosion hervorgerufenen Düsenschadens an den Zapfenspeichen als auch die Beeinträchtigungen der Sprühqualität durch harte Verkokungsschichten auf der Zapfenoberfläche, wie sie beim Stand der Technik beobachtet werden, vollständig eliminiert. Es ist auch zu bemerken, daß die Nachteile einer unsymmetrischen Sprühverteilung mit beeinträchtigtem Drehimpuls der Versprühung, wie sie durch die Speichen in der Mischkammer der bekannten Vorrichtungen verursacht werden, ebenfalls stark verringert werden.
Die beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen und die beschriebenen Abwandlungen davon, die im Bereich des Erfindungsgedankens liegen, dienen lediglich der Erläuterung der Prinzipien der Erfindung. Zahlreiche Abwandlungen sind dem Fachmann möglich, ohne daß der Erfindungsbereich verlassen wird.

Claims

Düse zum Versprühen einer Flüssigkeit, umfassend eine Mischeinrichtung (30) aus einer Mischkammer (32) mit einer stromabwärts gelegenen Öffnung; erste Fluideinlaßmittel (35), durch welche ein erstes Fluid strömt und die praktisch tangential mit der Mischkammer (32) in Verbindung stehen und eine turbulente Strömung beim Hineinströmen des ersten Fluids bewirken; zweite Fluideinlaßmittel (98), durch die ein zweites Fluid strömt und die praktisch axial mit dem ersten Fluideinlaßmittel (35) in Verbindung stehen und es gestatten, daß das ersten Fluid mit dem zweiten Fluid in dem ersten Fluideinlaßmittel (35) unter Ausbildung eines Mischfluids vermischt werden, und die eine turbulente Strömung erzeugen, während das Mischfluid in die Mischkammer (32) einströmt; einen Düsenöffnungskörper (50), der mit der Mischeinrichtung (30) auf der stromabwärts liegenden Seite verbunden ist und eine Auslaßöffnung (52) zum Ausbringen des Mischfluids aus der Düse aufweist; ein Ablenkungsmittel (80), welches mit der Mischeinrichtung (30) verbunden ist und einen praktisch zylindrischen Schaft (62) und einen im wesentlichen scheibenförmigen Ablenkungskopf (64) umfaßt, der eine stromaufwärts liegende Oberfläche (66) zum Auftreffenlassen des Mischfluids und eine stromabwärts liegende Oberfläche (70, 72) aufweist, welche mit einer Gasereinigungseinrichtung verbunden ist, und der mit einem Gasdurchlaß ausgestattet ist, der aus einer mittigen Leitung (65) in dem Schaft, mindestens einem schlitzartigen Verbindungsmittel (74), das den Schaft mit einer ringförmigen Rille (68) auf dem Ablenkungskopf (64) verbindet, und einem Spalt (76), der zwischen der stromabwärts liegenden Oberfläche (72) des Ablenkungskopfes (64) und der Oberfläche der Gasreinigungseinrichtung angeordnet ist, ausgestattet ist; einer Meßeinrichtung (58, 66) in Form eines Durchlaßspaltes, der zwischen der stromaufwärts gelegenen Oberfläche (66) des Ablenkungskopfes (64) und dem Auslaßrand (53) der Auslaßöffnung des Düsenöffnungskörpers (50) gebildet wird, wenn die Mischeinrichtung (30), das Ablenkungsmittel (80) und der Düsenöffnungskörper (50) miteinander verbunden sind; und ein Verschlußmittel (1) zum Verbinden der Mischeinrichtung (30) und des Düsenöffnungskörpers (50).
Düse gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Fluid, welches durch das erste Fluideinlaßmittel (35) eingeführt wird, eine Flüssigkeit und das zweite Fluid, welches durch das zweite Fluideinlaßmittel (98) eingeführt wird, ein Gas ist.
Düse gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichent, daß das Verschlußmittel (1) zwischen der Mischeinrichtung (30) und dem Düsenöffnungskörper (50) mit konischen Oberflächen (38, 54) auf sowohl der Mischeinrichtung als auch dem Düsenöffnungskörper versehen ist, wodurch eine Selbstausrichtung zwischen diesen beiden Teilen beim Zusammensetzen erzielt wird.
Düse gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichent, daß das Verschlußmittel (1) zwischen der Mischeinrichtung (30) und dem Düsenöffnungskörper (50) sowohl auf der Mischeinrichtung als auch auf dem Düsenöffnungskörper flache Oberflächen aufweist.
Düse gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichent, daß das erste Fluideinlaßmittel (35) aus einer Anzahl von praktisch tangential eingeschnittenen Schlitzen besteht, die sich auch vertikal zur Achse der Mischeinrichtung (30) erstrecken.
Düse gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichent, daß die tangential geschnittenen Schlitze (35) einen Verbundwinkel aufweisen, welcher auch im wesentlichen parallel zu der konischen Oberfläche (38) der Mischeinrichtung (30) ist.
Düse gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichent, daß das erste Fluideinlaßmittel (35) aus einer Anzahl praktisch tangential gebohrter Öffnungen besteht und das zweite Fluideinlaßmittel aus einer Anzahl von praktisch axial gebohrter Öffnungen (37), die das erste Fluideinlaßmittel (35) kreuzen.
Düse gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichent, daß die Auslaßöffnung (52) auf dem Düsenöffnungskörper (50) einen Durchmesser aufweist, der nicht größer ist als der Durchmesser der stromabwärts gelegenen Öffnung der Mischkammer (32) der Mischeinrichtung (30).
Düse gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichent, daß die innere Seitenwand am Auslaß der Auslaßöffnung (210) des Düsenöffnungskörpers (200) ein Venturi-Profil aufweist, welches längs des Durchlasses der Auslaßöffnung kontinuierlich enger wird und sich nach Durchlaufen eines Minimums wieder vergrößert.
Düse gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichent, daß die stromaufwärts gelegene Oberfläche (320) des Ablenkungskopfes (310) der Ablenkungsmittel (300) eine konische Form zur Bildung eines Sprühwinkels aufweist.
Düse gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichent, daß das Verschlußmittel (1) aus einer Überwurfmutter (1) und einem Halterungsteil (9) besteht.
Düse zum Versprühen einer Flüssigkeit, umfassend eine Mischeinrichtung (30), die eine Mischkammer (32) mit einer stromabwärts gelegenen Öffnung aufweist; erste Fluideinlaßmittel (35), durch die ein erstes Fluid strömt und die praktisch tangential mit der Mischkammer (32) in Verbindung steht und eine turbulente Strömung erzeugt, wenn das erste Fluid einströmt; zweite Fluideinlaßmittel (98), durch die ein zweites Fluid strömt und die im wesentlichen axial mit dem ersten Fluideinlaßmittel (35) in Verbindung stehen und es erlauben, daß sich das erste Fluid mit dem zweiten Fluid in dem ersten Fluideinlaßmittel unter Ausbildung eines Mischfluids vermischt, wobei sie die turbulente Strömung erzeugen, wenn das Mischfluid (32) einströmt; einen Düsenöffnungskörper (50), welcher mit der Mischeinrichtung (30) an der stromabwärts gelegenen Seite verbunden ist und eine Auslaßöffnung (52) zum Ausbringen des Mischfluids aus der Düse aufweist; und ein Verschlußmittel 1 zum Verbinden der Mischeinrichtung (30) und des Düsenöffnungskörpers (50).
Düse zum Versprühen einer Flüssigkeit, umfassend eine Mischeinrichtung (30), welche eine Mischkammer (32) mit einer stromabwärts gelegenen Öffnung aufweist; erste Fluideinlaßmittel (35), durch die ein erstes Fluid strömt und die praktisch tangential mit der Mischkammer (32) in Verbindung stehen und eine turbulente Strömung erzeugen, wenn das erste Fluid hineinströmt; zweite Fluideinlaßmittel (98), durch die ein zweites Fluid strömt und die im wesentlichen axial mit den ersten Fluideinlaßmitteln (35) in Verbindung stehen und es gestatten, daß das erste Fluid sich mit dem zweiten Fluid in den ersten Fluideinlaßmitteln unter Ausbildung eines Mischfluids vermischt, während die eine turbulente Strömung erzeugen, während das Mischfluid in die Mischkammer (32) hineinströmt; einen Düsenöffnungskörper (50), der mit der Mischeinrichtung (30) an der strormabwärts gelegenen Seite in Verbindung steht und einer Auslaßöffnung (52) zum Ausbringen des Mischfluids aus der Düse aufweist; ein Ablenkungsmittel (80), welches mit der Mischeinrichtung (30) in Verbindung steht und einen im wesentlichen zylindrischen Schaft (62) sowie einen im wesentlichen scheibenförmigen Ablenkungskopf (64) umfaßt, welcher eine stromabwärts gelegene Oberfläche (66) zum Auftreffenlassen des Mischfluids aufweist; eine Meßeinrichtung (58, 66) in Form eines vorherbestimmten Durchlaßspaltes, welcher zwischen der stromaufwärts gelegenen Oberfläche (66) des Ablenkungskopfes und dem Auslaßrand (58) der Auslaßöffnung des Düsenöffnungskörpers (50) gebildet wird, während die Mischeinrichtung (30) die Ablenkungsmittel (80) und der Düsenöffnungskörper (50) miteinander verbunden sind; und ein Verschlußmittel (1) zum Verbinden der Mischeinrichtung (30) und des Düsenöffnungskörpers (40).
Düse gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichent, daß das Verschlußmittel (1) zwischen der Mischeinrichtung (30) und dem Düsenöffnungskörper (50) mit konischen Oberflächen (38, 56) auf sowohl der Mischeinrichtung (30) als auch dem Düsenöffnungskörper (50) versehen ist, wodurch eine Selbstausrichtung zwischen diesen beiden Teilen beim Zusammensetzen bewirkt wird.
Düse gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichent, daß die ersten Fluideinlaßmittel (35) aus einer Anzahl von praktisch tangential geschnittenen Schlitzen bestehen, die sich außerdem vertikal zur Achse der Mischeinrichtung (30) erstrecken.
Düse gemäß Anspruch 15, (13 ?) dadurch gekennzeichent, daß die tangential geschnittenen Schlitze (35) einen Verbundwinkel aufweisen, der auch im wesentlichen parallel zur konischen Oberfläche (38) der Mischeinrichtung (30) ist.
Düse gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichent, daß die ersten Fluideinlaßmittel (35) aus einer Anzahl von praktisch tangential gebohrten Öffnungen und die zweiten Fluideinlaßmittel aus einer Anzahl praktisch axial gebohrter Öffnungen (37) bestehen, die sich mit den ersten Fluideinlaßmitteln (35) kreuzen.
Düse gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichent, daß die Auslaßöffnung (52) auf dem Düsenöffnungskörper (50) einen Durchmesser aufweist, der nicht größer ist als der Durchmesser der stromabwärts gelegenen Öffnung der Mischkammer (32) der Mischeinrichtung (30).
Düse gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichent, daß die innere Seitenwand am Auslaß der Auslaßöffnung (210) des Düsenöffnungskörpers (200) ein Venturi-Profil aufweist, welches längs des Durchlasses der Auslaßöffnung kontinuierlich enger wird und sich nach Durchlaufen eines Minimums wieder vergrößert.
Düse gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichent, daß die stromaufwärts gerichtete Oberfläche (320) des Ablenkungskopfes (310) der Ablenkungsmittel (300) eine konische Form zur Bildung eines Sprühwinkels aufweist.