DE2843408B2

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Tropfen kleinen Durchmessers aus einer kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Flüssigkeitsströmung, die aus einem Gebiet höheren Drucks in einen Raum oder ein Strömungsgebiet geringeren Drucks eingebracht wird.

Die Erzeugung fein disperser Flüssigkeitsteilchen hat in der Technik eine große Bedeutung, beispielsweise bei Verbrennungsvorgängen in der Feuerungs- und Motorentechnik, bei der Zerstäubungstrocknung und Zerstäubungskühlung, in der Lack- und Farbenindustrie etc. Die bisher bekannten Verfahren lassen sich in Dispersions- und Kondensationsverfahren unterscheiden. Bei den Dispersionsverfahren (Zerstäubungsverfahren), z. B. Schreiner »Gestaltungsmöglichkeiten der Zerstäuberdüsen« in VFDB-Zaitschrift, 1957, Seiten 128 bis 133, werden im wesentlichen Scherkräfte in der Flüssigkeitsströmung ausgenutzt, beispielsweise turbulente Scherfelder in Wandgrenzschichten oder auch Scherkräfte in Freistrahlen. Bei den bekannten Dispersionsverfahren ergibt sich eine polydisperse Verteilung der Tröpfchen. Der Durchmesser der Tröpfchen bzw. die Durchmesserverteilung läßt sich nur schwer beeinflussen, auch lassen sich Durchmesser und Teilchenkonzentration nur in engen Grenzen unabhängig voneinander einstellen. Schließlich ist bei Dispersionsverfahren der Durchmesser der erzeugten Tröpfchen relativ groß. Es lassen sich nur wenige Teilchen unterhalb von 1 μηι erzeugen, wobei die Verteilung besonders ungleichmäßig ist. Durch extrem hohen Ausgangsdruck von bis zu 500 bar (»Beispiele angewandter Forschung«, Mai 1955, Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung, Seite 32) läßt sich der durchschnittliche Tropfendurchmesser bis auf 0,7 μιτι verringern, gleichwohl ist das Teilchenspektrum breit.

Günstiger hinsichtlich der Teilchengröße und ihrer Verteilung arbeiten die Kondensationsverfahren, bei denen die Flüssigkeit aus der Dampfphase rekondensiert wird. Hierbei kann durchaus eine monodisperse Verteilung bei einer Tröpfchengröße unterhalb t μιτι erreicht werden. Bei diesem Verfahren sind jedoch die erreichbaren Teilchenkonzentrationen sehr gering, so daß Kondensationsverfahren für viele praktische

Anwendungen ausscheiden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen, welches die Herstellung feinster Flüssigkeitstropfen bei weitgehend monodisperser Verteilung ermöglicht

Ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfmdungsgemäß dadurch gelöst daß die Flüssigkeitsströmung mit Überschallgeschwindigkeit vom Gebiet des Höheren

ίο Drucks in das Gebiet des geringeren Drucks eingebracht wird und daß der geringere Druck so gewählt wird, daß sich im Innern der Flüssigkeit der von deren Temperatur abhängige Sättigungsdruck und damit ein thermodynamischer Ungleichgewichtszustand einstellt Praktische Versuche haben gezeigt daß ein Flüssigkeitstropfen oder ein Flüssigkeits-Freistrahl, der in ein Unterdruckgebiet, dessen Druck unterhalb des Sättigungsdrucks der Flüssigkeit liegt, gelangt unmittelbar nach Erreichen dieses Strömungsgebietes in feinste Tröpfchen mit monodisperser Verteilung zerplatzt. Das schlagartige Zerplatzen der Flüssigkeitsströmung bzw. -tropfen ist darauf zurückzuführen, daß die Flüssigkeit bei Eintritt in das Unterdruckgebiet plötzlich einem thermodynamischen Ungleichgewichtszustand ausgesetzt und bestrebt ist, wieder ihren Gleichgewichtszustand herzustellen. Dies geschieht durch schlagartige Änderung der Oberfläche der Flüssigkeit. Es ist lediglich dafür Sorge zu tragen, daß der Übertritt der Flüssigkeit aus dtm thermodynamischen Gleichgewicht in den

jo Ungleichgewichtszustand ausreichend schnell erfolgt, nämlich mit Überschallgeschwindigkeit bei Normaldruck als Ausgangsdruck, und daß der Ungleichgewichtszustand so lange aufrechterhalten bleibt, also eine gewisse, wenn auch geringe Strömungsstrecke eingehal-

J5 ten wird, bis der Strahl bzw. der Tropfen zerplatzt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es überraschenderweise weiterhin möglich, den Druckmesser der beim Versprühen der entstehenden Teilchen mittels der Ausgangstemperatur der Flüssigkeit zu steuern. Hiermit ist ein völlig neues Prinzip für die Beeinflussung der Tröpfchengröße gegeben, das sich zudem technisch leicht verwirklichen läßt. Es konnte weiterhin festgestellt werden, daß sich die Konzentration der Tropfen in dem sie umgebenden Medium in einem sehr weiten Bereich durch die Menge der Flüssigkeit gesteuert werden kann. Dieser Vorteil wird unabhängig davon erreicht, ob es sich um einen Flüssigkeitsstrahl oder aber um einzelne Flüssigkeitstropfen handelt, die in das Strömungsgebiet, dessen

W Druck unterhalb des Sättigungsdrucks liegt, eingebracht werden. Die monodisperse Verteilung der feinen Tröpfchen kann in der Feuerungs- und Verbrennungstechnik für eine schnellere und bessere Verbrennung, bei der Zerstäubungskühlung und Zerstäubungstrock-

v, nung zu einer schnelleren und gegebenenfalls schonenderen Behandlung der Produkte, in der Auftragstechnik zu einer besseren Beschichtung und schließlich in der Aerosoltechnik zu einer feineren Teilchenverteilung ausgenutzt werden.

bo Es ist zwar bekannt (DE-OS 26 27 880), eine Flüssigkeit aus einer Düse mit Schallgeschwindigkeit austreten zu lassen und sie dabei einem Drucksprung zu unterwerfen. Auch hierbei handelt es sich jedoch um ein Dispersionsverfahren, bei dem mit den genannten

b5 Maßnahmen die Scherkräfte erhöht werden. Es soll deshalb auch der Tropfendurchmesser durch die Größe des Drucksprungs beeinflußt werden. Im übrigen ist Ziel dieses bekannten Verfahrens, das im thermodvnami-

sehen Gleichgewicht abläuft, die Schallgeschwindigkeit und damit den Energieverbrauch dadurch herabzusetzen, daß eine Zweiphasenströmung Gas/Flüssigkeit erzeugt wird, deren Schallgeschwindigkeit bekanntermaßen niedriger ist als die der reinen Phase.

Nachstehend ist die Erfindung anhand einiger zeichnerischer Darstellungen erläutert Hierbei zeigt

F i g. 1 ein Diagramm für den Druckverlauf in einer schematisch dargestellten Düse mit Überschallströmung,

F i g. 2 eine schematische Darstellung der Auflösung einer diskontinuierlichen Strömung (Tropfen) in feinste Flüssigkeitsteilchen,

F i g. 3 ein thermodynamisches Zustandsdiagramm für den in F i g. 2 dargestellten Vorgang.

Im oberen Teil der F i g. 1 ist schematisch der Querschnitt einer Düse dargestellt, die von der F'iüssigkeit als Freistrahl, also als kontinuierliche Strömung, durchströmt wird. Die umgebende Gasströmung weist einen Rubedruck Po auf, der am Eintrittsquerschnitt bis auf den Druck P_a\ absinkt. Die Gasströmung erreicht im Bereich des engsten Querschnittes der Düse Überschallgeschwindigkeit bei einem Druck p*= 0,528Po- In der Erweiterung der Düse zum Austrittsquerschnitt hin sinkt der Druck weiter auf P_a2, der dem Sättigungsdruck der Flüssigkeit entspricht. Bei Eintritt des Strahls in dieses Unterdruckgebiet -erplatzt er in feinste Tröpfchen, die sich als Nebel schließlich zum Austrittsquerschnitt mit dem Enddruck p. bewegen.

In F i g. 2 ist dieser Vorgang anhand eines einzelnen Tropfens erläutert, der bei Eintritt in die Düse einen Innendruck von Pd\ und eine Temperatur von T_d\ sowie einen Durchmesser d\ aufweist. Der Tropfen steht unter einem Außendruck von P_ü\. Auf seinem Weg bis in den engsten Querschnitt der Düse vermindert sich der Außendruck und der Innendruck sowie die Temperatur. Der Durchmesser d₂ bleibt dabei konstant. Schließlich erreicht der Tropfen das Unterdruckgebiet, dessen Druck unterhalb des Sättigungsdrucks P_a2 liegt, wobei der Tropfen einen Innendruck von P^₂ aufweist. Die Temperatur T_d2 des Tropfens erreicht die Siedetemperatur Ts, die vom Innendruck Pd₂ des Tropfens abhängig ist. In diesem Augenblick zerplatzt der Tropfen in eine Vielzahl kleinster Tröpfchen mit dem Durchmesser d'₂. Die Tröpfchen stehen unter dem Innendruck Pd₂ und weisen eine Temperatur Tj₂, nämlich die Siedetemperatur Γ* auf, die sich im Unterdruckgebiet als Funktion des Drucks P, ₂ darstellt.

Die Funktion des Innendrucks des Tropfes vor und nach Überschreiten der Grenze des Unterdruckgebiets ist als Funktion links und rechts der gestricheil angegebenen Grenze wiedergegeben.

Im thermodynamischen Zustandsdiagramrn (F i g. 3, Druck über Temperatur) stellt sich der Vorgang wie folgt dar: Der Tropfen weist die Ausgangsdaten Pd ι und Td] im Punkt 1 auf. Der Umgebungsdruck beträgt P₁₁1, der im Unterdruckgebiet auf den Sättigungsdruck P„₂ absinkt. Dabei sinkt der Druck im Tropfen auf den Druck Pd₂ und die Temperatur Td2 auf der Sättigungskurve ab. Der Tropfen zerplatzt in einzelne feinste Tröpfchen, die den Zustand 2' einnehmen, der sich auf der Sättigungskurve aus dem Sättigungsdruck P_j2 und der Siedetemperatur T'd₂, jedoch bei erhöhtem Eigendruck P'</₂ ergibt Die Druckdifferenz zwischen Ausgangsdruck Pd\ des Tropfens und dem Ausgangs-Umgebungsdruck Pm ist mit ΔΡ\, die Druckdifferenz zwischen dem Innendruck Pi₂ vor dem Zerplatzen und

ίο dem dort herrschenden Sättigungsdruck P₃₂ ist mit JP₂ und die Druckdifferenz zwischen Innendruck Pj₂ der kleinen Tröpfchen und dem Sättigungsdruck P₁₂ schließlich mit 4P₂ angegeben.

Nachstehend ist eine Tabelle wiedergegeben, die bei einem Tropfen vorgegebener Größe (Flüssigkeitsmenge) den Einfluß der Flüssigkeitstemperatur auf das erzeugte Teilchengrößenverhältnis und das Teilchendichteverhältnis verdeutlicht

-Ό Tropfen	Durchmesser	Tröpfchcnmbl	I0⁷
temperatur	verhältnis		IO⁷
T₁₁₂ ( C)	d'i'd₂	N	io^v
25 130	2.991683 x 10"¹	3.734678544 x	i0^s
120	2.336449 x 10"³	7.840275225 x	10"
110	1.680446 x 10 -¹	2.107298522 x	10"'
100	1.124885 x 10"'	7.025479477 x	10"
30 90	7.730960 x 10 ⁴	2.164290 x	10¹²
60	3.518150 x 10~⁴	2.296466782 x	10"
40	1.548230 x 10 ⁴	2.694609611 x
20	5.20340 x 10"⁵	7.077777415 x
35 10	2.95610 x 10 ⁵	3.871170 x

In der linken Spalte ist die Temperatur T_d2 des Ausgangstropfens unmittelbar vor Eintritt in das Unterdruckgebiet angegeben. In der mittleren Spalte ist das Durchmesserverhältnis O₂ ¹Id₂ wiedergegeben, wobei d₂ der Durchmesser der entstehenden Tröpfchen d₂ der Durchmesser des Ausgangstropfens ist. Die Zahlen zeigen, daß sich die Tröpfchengröße, deren absoluter Wert bei entsprechender Wahl von d₂ unter 1 μιτι liegt, unmittelbar durch die Temperatur beeinflussen läßt. Schließlich zeigt die rechte Spalte die Anzahl der erzeugten Tröpfchen, die — bei gleichbleibender Flüssigkeitsmenge (Tropfengröße) — naturgemäß mit dem abnehmenden Teilchendurchmesser ansteigt. Die absolute Größe der Tröpfchenzahl läßt sich naturgemäß durch die Flüssigkeitsmenge steuern. Da sich Tropfengröße und Flüssigkeitstemperatur technisch leicht beherrschen lassen, ist damit auch ein sehr einfaches Mittel zur Steuerung der erzeugten Teilchengröße gegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auf jedem technischen Anwendungsgebiet, wo es um die Vernebelung, Vergasung oder Verbrennung von Flüssigkeiten geht, einsetzen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von Tropfen kleinen Durchmessers aus einer kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Flüssigkeitsströmung, die aus einem Gebiet höheren Drucks in einen Raum oder in ein Strömungsgebiet mit geringerem Druck eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsströmung mit Überschallgeschwindigkeit vom Gebiet des höheren Drucks in das Gebiet des geringeren gebracht wird und daß der geringere Druck so gewählt wird, daß sich im Inneren der Flüssigkeit der von deren Temperatur abhängige Sättigungsdruck und damit ein thermodynamischer Ungleichgewichtszustand einstellt

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der beim Versprühen entstellenden Tropfen mittels der Ausgangstemperatur der Flüssigkeit gesteuert wird.