DE19604902A1 - Zweistoffdüse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zweistoffdüse zum Versprühen ei­ nes Gas/Flüssigkeitsgemisches, insbesondere eines Luft/ Was­ sergemisches, mit einer Mischkammer mit einer ersten Ein­ trittsöffnung für ein unter Druck zugeführtes gasförmiges Me­ dium, der eine Austrittsöffnung mit einem Düsenmundstück ge­ genüberliegt, und mit einer zweiten Eintrittsöffnung, durch die ein unter Druck stehender Flüssigkeitsstrahl etwa senk­ recht zu der Achse der ersten Eintrittsöffnung in die Misch­ kammer eintritt.

Zweistoffdüsen dieser Art sind bekannt (DE 39 15 210 C2). Man hat dort in die axial von dem unter Druck stehenden gasförmi­ gen Medium durchströmte zylindrische Mischkammer einen stabförmigen Dosiereinsatz mit einer zylindrischen Sackboh­ rung senkrecht zu der Strömungsrichtung in der Mischkammer eingeführt und von der Sackbohrung aus nach außen gehende Sprühbohrungen vorgesehen, die etwa im Bereich der Mischkam­ mermitte verlaufen. Diese Sprühbohrungen sorgen dafür, daß die dort austretenden Flüssigkeitsstrahlen quer zur Strö­ mungsrichtung oder sogar unter kleinen Winkel geneigt, gegen die Strömungsrichtung austreten, so daß die beim Austritt schon aufplatzenden Flüssigkeitsstrahlen durch die von dem auf sie auftreffenden Gasstrahl bewirkten Scherkräfte optimal vorzerstäubt werden können, ehe das so gebildete Gas/Flüssig­ keitsgemisch aus der Düsenmündung austritt. Sprühdüsen dieser Art können, wegen der Anordnung des in die Mischkammer her­ einragenden Einsatzes relativ aufwendig in der Herstellung werden. Für manche Anwendungsbereiche sind sie auch nicht ge­ eignet.

Bekannt ist es auch (DE 31 31 070 C2), bei Bauarten der ein­ gangs genannten Art den Flüssigkeitsstrahl auf eine in der Mitte der Mischkammer auf einem seitlich in die Mischkammer hereinragenden Tisch angeordnete, ebene Prallfläche auftref­ fen zu lassen und diese Prallfläche von dem Gasstrom über­ streichen zu lassen, so daß der durch den Aufprall aufge­ platzte Flüssigkeitsstrahl mit der Gasströmung vermischt und zur Austrittsdüse geführt werden kann. Auch solche Sprühdüsen sind wegen der Anordnung eines seitlich und rechtwinklig zu der Eintrittsachse des Gasstrahles anzuordnenden Aufprallti­ sches aufwendig und können, da eine Vermischung wegen der Un­ symmetrie nicht gleichmäßig im ganzen Mischkammerbereich er­ folgt, auch nicht immer für eine homogene Vermischung sorgen. Bekannt sind deshalb auch andere Bauarten (DE-A 22 52 218), bei denen man den auf eine Prallfläche auftreffenden und zer­ stäubten Flüssigkeitsstrahl mit einer durch einen seitlichen Eintritt bewirkten Drallströmung erfaßt und außen um den Rand der Prallfläche hinweg in eine Ausströmöffnung führt, wo ein zweiter Aufprall des vermischten Strahles erfolgt. Solche Sprühdüsen sind gegenüber den eingangs genannten Bauarten aufwendiger in der Herstellung. Dies gilt auch für andere be­ kannte Sprühdüsenbauarten zur Erzeugung eines Zweistoffgemi­ sches (US-A 5 240 183), bei denen man die Zufuhr von Gas und Flüssigkeit koaxial zu einer Austrittsdüse erfolgen läßt und in der dieser Austrittsdüse vorgeschalteten Mischkammer einen zentralen Dralleinsatz angeordnet hat. Die koaxiale Zuführung der beiden zu mischenden Medien macht erfahrungsgemäß Schwie­ rigkeiten, so daß man zu den eingangs erwähnten einfacheren Bauarten für Zweistoffdüsen übergegangen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zweistoffdüse der eingangs genannten Art so auszubilden, daß eine einfache Herstellung möglich ist, dennoch aber eine ausgezeichnete Vermischung der beiden Medien schon vor dem Erreichen der Dü­ senmündung bewirkt werden kann.

Ausgehend von der Überlegung, daß es für diesen Zweck vor­ teilhaft ist, möglichst den ganzen Mischkammerquerschnitt für die Mischung auszunützen, besteht die Erfindung bei einer Zweistoffdüse der eingangs genannten Art darin, daß minde­ stens ein auf der Achse der zweiten Eintrittsöffnung liegen­ der Wandbereich der Mischkammer Ausgangspunkt für mindestens einen in die Form eines die Mischkammer nahezu vollständig ausfüllenden Sprühstrahles gebrachten Flüssigkeitsstrahles ist. Bei der Erfindung werden daher keine in die Mischkammer einseitig hereinragenden und die Strömungsverhältnisse beein­ flussenden Einsätze vorgesehen, sondern es wird ein von der Mischkammerwand ausgehender, im wesentlichen senkrecht zu der Gasströmung gerichteter Flüssigkeitssprühstrahl erzeugt, der über den gesamten Mischkammerquerschnitt von dem quer zu ihm strömenden Gasstrom erfaßt und daher optimal mit diesem ver­ mischt werden kann.

Die Erfindung läßt sich dabei in einer ersten Ausführungsform sehr einfach dadurch verwirklichen, daß die zweite Eintritts­ öffnung von der Mündung einer Flüssigkeitssprühdüse gebildet ist, die im Wandbereich der Mischkammer angeordnet ist. Dabei können Flüssigkeitssprühdüsen bekannter Bauart verwendet wer­ den, die mit Vorzerstäubungseinrichtungen, beispielsweise in der Art eines X-Dralleinsatzes, eines gefrästen Dralleinsat­ zes, eines gebohrten Dralleinsatzes, oder auch mit einem Zer­ stäubungseinsatz in Flachstrahlcharakteristik, versehen sind.

In Weiterbildung der Erfindung kann aber auch vorteilhaft vorgesehen werden, daß die zweite Eintrittsöffnung einer an der Wand der Mischkammer angeordneten Prallfläche gegenüber­ liegt, auf die der Flüssigkeitsstrahl zum Zweck des Zerstäu­ bens auftrifft und in die Mischkammer zurück reflektiert wird.

In Weiterbildung dieses Gedankens kann die Prallfläche dabei Teil einer in der der zweiten Eintrittsöffnung gegenüberlie­ genden Wand der Mischkammer angeordneten Vertiefung sein, de­ ren Wandflächen so ausgebildet sind, daß der Flüssigkeits­ strahl mit seinen zerstäubten und reflektierten Bestandteilen den Raum der Mischkammer nahezu vollständig ausfüllt. Die Vertiefung kann dabei als eine rotationssymmetrische Prall­ senke ausgebildet sein, die z. B. als Kugelkalotte, als Teil eines Paraboloids, aber auch als ein Kegel ausgebildet sein kann. Alle diese Bauarten ermöglichen das Entstehen eines Sprühstrahles in der Mischkammer, dessen Bestandteile von dem im wesentlichen quer dazu verlaufenden Gasstrom erfaßt und mit diesem fein verteilt vermischt werden können.

Die Erfindung ist in der Zeichnung anhand von Ausführungsbei­ spielen dargestellt und wird im folgenden erläutert. Es zei­ gen:

Fig. 1 den Längsschnitt durch eine erfindungsgemäß ausge­ bildete Zweistoffsprühdüse mit einer in der Wand ei­ ner gasdurchströmten Mischkammer angeordneten Flüs­ sigkeitssprühdüse mit einem X-Dralleinsatz,

Fig. 2 die Draufsicht auf die Flüssigkeitssprühdüse in Richtung des Pfeiles 11,

Fig. 3 die schematische Darstellung des Mischvorganges bei einer Sprühdüse nach Fig. 1,

Fig. 4 eine Sprühdüse ähnlich Fig. 1 in verkleinertem Maß­ stab, jedoch mit einem gefrästen Dralleinsatz in der Flüssigkeitssprühdüse,

Fig. 5 die Draufsicht auf die Flüssigkeitssprühdüse in Richtung des Pfeiles,

Fig. 6 eine Zweistoffsprühdüse ähnlich jener der Fig. 4, jedoch mit einer Flüssigkeitssprühdüse mit einem ge­ bohrten Dralleinsatz,

Fig. 7 die Draufsicht auf die Flüssigkeitssprühdüse in Richtung des Pfeiles VII in Fig. 6,

Fig. 8 eine Zweistoffdüse ähnlich Fig. 4, jedoch mit einer Flüssigkeitssprühdüse mit einem Zerstäubungseinsatz in Flachstrahlcharakteristik,

Fig. 9 die Draufsicht auf die Flüssigkeitssprühdüse der Fig. 8 in Richtung des Pfeiles IX gesehen,

Fig. 10 eine Zweistoffsprühdüse in einer anderen Ausfüh­ rungsform, bei der der Flüssigkeitssprühstrahl durch den Aufprall eines Flüssigkeitsstrahles auf eine Prallsenke erzeugt wird,

Fig. 11 eine schematische Darstellung des Sprüh- und Misch­ vorganges in der Zweistoffdüse nach Fig. 10,

Fig. 12 eine Variante der Zweistoffdüse der Fig. 10, bei der eine andere Form der Prallsenke vorgesehen ist, und

Fig. 13 die schematische Darstellung der Wirkungsweise der Zweistoffsprühdüse nach Fig. 12.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Zweistoffsprühdüse nach der Erfindung, die ein Düsengehäuse 1) mit einer im Gehäuse an­ geordneten zylindrischen Mischkammer 2 aufweist. Mit der Achse 3 der Mischkammer fällt die Achse einer ersten Ein­ trittsöffnung 4 zusammen, die Teil eines in das Gehäuse 1 stirnseitig eingeschraubten Anschlußstutzens 5 ist, dessen Innenbohrungen sich bis zur Eintrittsöffnung 4 stufenweise verkleinern, und der mit einem Innengewinde 6 zum Ein­ schrauben beispielsweise eines Druckschlauches oder einer Druckleitung versehen ist. Durch diesen Schraubanschluß 5 wird ein gasförmiges Medium, beispielsweise Luft, unter Druck im Sinn des Pfeiles 7 in die Mischkammer 2 eingeführt, um sich dort in der noch zu beschreibenden Weise mit einer Flüs­ sigkeit zu vermischen. Das in der Mischkammer 2 gebildete Luft/Flüssigkeitsgemisch wird weiter längs der Achse 3 durch eine der Eintrittsöffnung 4 gegenüberliegende Aus­ trittsöffnung 29 aus der Mischkammer 2 heraus und durch ein Rohrstück 8 zu einer Zweistoffsprühdüse 9 geführt, die mit einem Austrittsschlitz 10 versehen ist. Aus diesem Austrittsschlitz 10 tritt das Luft/Flüssigkeitsgemisch, im vorliegenden Fall ein Luft/Wassergemisch, aus und kann bei­ spielsweise für Kühlzwecke verwendet werden.

Das Gehäuse 1 ist mit einer zweiten Eintrittsöffnung 11 versehen, die Teil eines zweiten Schraubstutzens 12 ist, an dessen der Mischkammer 2 zugewandter Stirnseite sie ange­ ordnet ist und dadurch einen Teil der Wandung der Mischkammer 2 bildet. Der Schraubstutzen 12 ist ebenso wie der Schraubstutzen 5 mit einem Innengewinde 13 versehen, in das ein Druckschlauch oder eine Druckleitung zur Zuführung von Wasser eingeschraubt werden kann, das im Sinn des Pfeiles 14 in die Mischkammer 2 eintritt. Die Achse 25 dieser Eintrittsöffnung und der vor ihr liegenden Kammern steht senkrecht auf der Achse 3 der Mischkammer 2 und schneidet diese. Innerhalb des Schraubstutzens 12 ist in einem Be­ reich 15 vor der Eintrittsöffnung 11 in die Mischkammer 2 und noch vor einer sich zu dieser Eintrittsöffnung 11 verjüngenden Kammer 16 ein Dralleinsatz 17 in X-Form ein­ gesetzt, bei dem es sich um ein Teil in der Form eines ver­ schränkten X mit Durchbrüchen 17a (siehe Fig. 2) handelt, mit deren Hilfe das Wasser in Rotation versetzt wird. Durch diese Maßnahme wird das im Sinn des Pfeiles 14 unter Druck eintretende Wasser beim Eintritt in die Mischkammer 2 in der Form eines Vollkegels zerstäubt.

Fig. 3 zeigt schematisch die Wirkungsweise einer solchen Zweistoffdüse. Man kann erkennen, daß das im Sinn des Pfeiles 14 in die Mischkammer 2 in der Form eines gemäß den Pfei­ len 18 verlaufenden Sprühstrahles eintritt, der durch die Wahl der geeigneten Düse bzw. des Einsatzes 17 so ausgebil­ det ist, daß er nahezu den gesamten Raum der Mischkammer 82 ausfüllt. Dieser so gebildete, aus feinen Flüssigkeitstropfen bestehende Vollkegelwassersprühstrahl, wird nun von Luft im Sinn des Pfeiles 7 angeströmt. Luft und Wasserbestandteile können sich daher in der Mischkammer 2 sehr fein vermischen und werden dann im Sinn des Pfeiles 19 aus der Mischkammer 2 gefördert. Fig. 3 macht deutlich, daß auf diese Weise auch nahezu der gesamte Raum der Mischkammer für die Vermi­ schung von Flüssigkeit und gasförmigem Medium ausgenützt wer­ den kann, was die angestrebte feine und homogene Vermischung bewirkt.

In den Fig. 4 bis 8, die jeweils ähnlich aufgebaute Sprüh­ düsen zeigen, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, sind jeweils die die gleichen Teile betreffenden Bezugszeichen verwendet worden, die zur Beschreibung der Fig. 1 gewählt wurden. Auf die zu der Ausführungsform der Fig. 1 bestehenden Unterschie­ de wird jedoch im folgenden eingegangen.

Die Fig. 4 und 5 zeigen eine Zweistoffsprühdüse, ähnlich der Fig. 1, wobei jedoch in den Anschraubstutzen 12 ein ge­ fräster Dralleinsatz 20 eingesetzt ist, der aus einer Scheibe mit tangential unter einem bestimmten Winkel zum Um­ fang verlaufenden Einfräsungen 20a versehen ist. Aus der in die Mischkammer 2 mündenden Eintrittsöffnung 11, die auch hier an einer Wandung der Mischkammer 2 liegt, tritt daher ein zerstäubter Wasserstrahl in der Form eines Hohlkegel aus, der auch in diesem Fall von der im Sinn des Pfeiles 7 unter Druck zugeführten Luft erfaßt und mit dieser vermischt wird, ehe das Gemisch im Sinn des Pfeiles 19 zur Austrittsdüse 9 gelangt.

Die Fig. 6 und 7 zeigen eine abgewandelte Ausführungsform insofern, als hier in den Anschlußstutzen 12 ein gebohrter Dralleinsatz in der Form einer Scheibe 20 eingesetzt ist, die mit Bohrungen 21a schräg und tangential zu einem Kreis verlaufend in die Scheibe 21 eingebracht sind. Auch hier ist das Ergebnis ein Zerstäubungsstrahl in Hohlkegelform, der aus der Eintrittsöffnung 11 in die Mischkammer 2 eintritt und dort von der Luftströmung im Sinn der Pfeiles 7 erfaßt wird.

Die Fig. 8 und 9 zeigen eine Abwandlung insofern, als hier die Eintrittsöffnung in die Mischkammer 2 durch eine lin­ senförmige Öffnung 22a gebildet ist, die in einer in den Einsatz 12 eingesetzten Scheibe 22 dadurch gebildet ist, daß - in bekannter Weise - das halbkugelförmige Ende einer Bohrung 23 durch ein Prisma 24 geschnitten wird.

Während bei allen Ausführungsformen der Fig. 1 bis 9 ein unmittelbar von einer Wand der Mischkammer 2 ausgehender und mit seiner Mittelachse 25 etwa senkrecht auf der Achse 3 der Mischkammer stehender Wassersprühstrahl erzeugt wird, der sich dann mit der zugeführten Luft vermischt, ist in den Fig. 10 bis 13 eine andere Ausführungsform gewählt, bei der zwar auch ein von einer Wand der Mischkammer 2 ausge­ hender Wassersprühstrahl erzeugt wird, der aber hier nicht von einer der an sich bekannten Flüssigkeitssprühdüsen ausge­ hend erzeugt wird.

Bei der Ausführungsform der Fig. 10 ist das Gehäuse 100 mit einem Ansatz 120 versehen, der unmittelbar die, wie auch bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 bis 9, vorgesehe­ ne abgestufte Zuführbohrung für Wasser unter Druck aufweist, das im Sinn des Pfeiles 14 zugeführt wird. Zu diesem Zweck ist der Ansatz 120 mit einem Innengewinde 13 versehen, in welches, wie bei den schon beschriebenen Ausführungsbeispie­ len, ein Druckschlauch oder eine Druckleitung einschraubbar ist. Auch hier verläuft die Achse 25 dieser Zuführbohrung senkrecht zu der Achse 3 der zylindrisch ausgeführten Mischkammer 2, in die, wie auch bei den anderen Ausfüh­ rungsbeispielen, die erste Eintrittsöffnung 4 axial so mün­ det, daß die Achse der Eintrittsöffnung 4 und der im Ein­ schraubstutzen 5 angeordneten Zuflußbohrung mit der Achse 3 der Mischkammer 2 zusammenfällt. Durch den Schraubstut­ zen 5 wird Druckluft im Sinn des Pfeiles 7 zugeführt. Der übrige Aufbau entspricht im wesentlichen jenem der bereits beschriebenen Ausführungsbeispiel, nur daß der hier vorgese­ hene Rohrstutzen 80 etwas kürzer als bei den vorherigen Ausführungsbeispielen ist und die Sprühdüse 90 am Ende die­ ses Rohres etwas anders ausgebildet, jedenfalls auch mit ei­ nem Austrittsschlitz 10 versehen ist.

Die der Eintrittsöffnung 11 am Ende der konisch zulaufenden Kammer 16 gegenüberliegende Wand 2a der Mischkammer 2 ist mit einer Vertiefung in der Form einer kegelförmigen Prallsenke 26 versehen, wobei die Achse dieses Kegels mit der Achse 25 der Zuführbohrung im Stutzen 120 zusammen­ fällt. Durch diese Maßnahme trifft, wie Fig. 11 zeigt, der im Sinn der Pfeiles 14 in die Mischkammer 2 eingeführte, noch kompakte Druckwasserstrahl auf die gegenüberliegende Wand 2a in der Mitte der kegelförmigen Prallsenke 26 auf, wird durch diesen Aufprall und aufgrund der ihm innewohnenden Energie in Einzelbestandteile zerlegt und von den schrägen Flächen der Prallsenke 26 im Sinn der Pfeile 27 von der Wand 2a aus zurück in die Mischkammer 2 reflektiert. Dies geschieht aufgrund der gewählten Ausbildung der Prallsenke 26 so, daß dieser Sprühstrahl in etwa den Raum der Misch­ kammer 2 vollständig ausfüllt. Auch in diesem Fall wird da­ bei der reflektierte Sprühstrahl von der Luftströmung im Sinn des Pfeiles 7 erfaßt, so daß eine Mischung der Bestandteile des Sprühstrahles über den gesamten Querschnitt der Mischkam­ mer 2 verteilt erfolgten kann, ehe das so gebildete, weit­ gehend homogene Gemisch im Sinn des Pfeiles 19 zur Düse 90 gefördert wird.

Die Fig. 12 zeigt eine Abwandlung insofern, als hier die auf der Achse 25 liegende Vertiefung 28 die Form einer Kugel­ kalotte hat, die rotationssymmetrisch zur Achse 25 ausge­ bildet ist. Es wäre auch möglich, anstelle einer Kugelkalotte einen Teil eines Paraboloids oder Hyperboloids für die Ver­ tiefung 28 vorzusehen. In allen Fällen aber muß die Vertie­ fung 28, so wie auch die Vertiefung 26 der Fig. 10, in etwa rotationssymmetrisch zur Achse 25 ausgebildet sein, um einen Sprühstrahl im Sinn der Pfeile 27 zu erzeugen, der von der Wand 2a der Mischkammer 2 in die Mischkammer 2 reflektiert wird und über den gesamten Querschnitt der Misch­ kammer mit dem auf seine Bestandteile aufprallenden Luftstrom mischbar ist.

Claims (9)

1. Zweistoffdüse zum Versprühen eines Gas/Flüssigkeits­ gemisches, insbesondere eines Luft/Wassergemisches, mit einer Mischkammer (2) mit einer ersten Eintrittsöffnung (4) für das unter Druck zugeführte gasförmige Medium, der eine Austritts­ öffnung (29) mit einem nachgeschalteten Düsenmundstück (9) gegenüberliegt und mit einer zweiten Eintrittsöffnung (11), durch die ein unter Druck stehender Flüssigkeitsstrahl etwa senkrecht zu der Achse (3) der ersten Eintrittsöffnung (4) in die Mischkammer (3) eintritt, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein auf der Achse (25) der zweiten Eintrittsöff­ nung (11) liegender Wandbereich (11, 26, 28) der Mischkammer (2) Ausgangspunkt für mindestens einen in die Form eines die Mischkammer (2) nahezu vollständig auszufüllenden Sprühstrah­ les (18, 27) gebrachten Flüssigkeitsstrahles ist.

2. Zweistoffdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die zweite Eintrittsöffnung (11) von dem an der Mischkammerwand liegenden Mündungsbereich einer Flüssigkeits­ sprühdüse gebildet ist, die an ein Gehäuse (1) angesetzt ist.

3. Zweistoffdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die zweite Eintrittsöffnung (11) einer an der Wand (2a) der Mischkammer (2) angeordneten Prallfläche (26, 28) gegenüberliegt, auf die der Flüssigkeitsstrahl zum Zweck des Zerstäubens auftrifft.

4. Zweistoffdüse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Prallfläche Teil einer Vertiefung (26, 28) ist, deren Wandflächen so ausgebildet sind, daß der Flüssigkeits­ strahl mit seinen zerstäubten und reflektierten Bestandteilen den Raum der Mischkammer (2) nahezu vollständig ausfüllt.

5. Zweistoffdüse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Vertiefung (26, 28) rotationssymmetrisch ausge­ bildet ist und ihre Achse mit der Achse (25) der Flüssig­ keitszuführung zusammenfällt.

6. Zweistoffdüse nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Mischkammer (2) zylindrisch ausgebildet ist und ihre Achse (3) senkrecht zur Achse (25) der Flüssigkeits­ zuführung steht.

7. Zweistoffdüse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Achse (3) der Mischkammer die Achse (25) der Flüssigkeitszuführung schneidet.

8. Zweistoffdüse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Prallsenke als Kugelkalotte oder Teil eines Pa­ raboloids oder Hyperboloids ausgebildet ist.

9. Zweistoffdüse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Prallsenke (26) kegelförmig ausgebildet ist.