DE3525527A1 - Hochgeschwindigkeits-ausblasduese - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Hochge­ schwindigkeits-Ausblasdüse für eine Druckgaskanone. Ins­ besondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine neuartige Hochgeschwindigkeits-Ausblasdüse für eine Luft­ kanone, mittels der Ablagerungen oder Verstopfungen fest­ gebackener pulverförmiger Materialien in Rohrleitungen, ins­ besondere in oder auf Rohrbündeln von Wärmetauschern beseitigt werden können oder mittels der Ablagerungen derartiger Materialien in Trich­ tern, an Rutschen, in Zyklonen oder Schachtvorwärmern insbesondere bei Zementdrehofenanlagen gelöst werden können, ehe die abgelagerten Schich­ ten eine zu einer Verstopfung derartiger Anlagen führen­ de Schichtstärke erreichen.

Druckgaskanonen bzw. Luftkanonen sind Druckgas- oder Druckluft-Behälter mit einer üblichen Behältergröße zwi­ schen 2 und 500 Litern. Derartige Druckgaskanonen oder Luftkanonen weisen ein extrem schnell öffnendes, großflä­ chiges Ausblasventil am Übergang zwischen dem Druckgasbe­ hälter und dem zum Düsenkopf führenden Düsenrohr auf. Die Abreinigungswirkung, die mit einer Druckgaskanone erzielt wird, beruht im wesentlichen in der Erzeugung einer Druck­ welle mit extrem steilen Flanken, wobei erfahrungsgemäß das Volumen des expandierenden Druckgases lediglich eine untergeordnete Rolle für die Abreinigung spielt. Das Aus­ blasende der Hochgeschwindigkeits-Ausblasdüse einer Druck­ gaskanone wird in denjenigen Bereichen einer Anlage, wie beispielsweise einer Zementdrehofenanlage angeordnet, in denen mit den stärksten Ablagerungen zu rechnen ist. Auf­ grund einer speziellen Konstruktion des Ausblasventiles gibt die Druckgaskanone bei Betätigung innerhalb von Milli­ sekunden den Querschnitt des Düsenrohres frei, so daß sich das Druckgas mit annähernd Schallgeschwindigkeit ausbrei­ ten kann. Infolge des sich explosionsartig ausbreitenden Druckgases kommt es zu einem impulsartigen Druckaufbau zwi­ schen einer Wand der Anlage und einer Anlagerung oder An­ backung an der Wand. Wenn die Ausblasleitung direkt in die mit einer dicken Materialschicht bedeckten Wand führt, be­ wirkt der Druckimpuls ein Ablösen der Ablagerung in einem Bereich, der in Abhängigkeit von der Dicke der Anbackung bei bis zu drei Metern liegt. Der freigeblasene Bereich ist um so größer, je dicker die Anbackung ist. Daher wird üblicherweise eine Anbackung erst dann abgeblasen, wenn ihre Dicke einen zulässigen Wert übersteigt. Bei dünnen Anbackungen wird ein besonders guter Reinigungseffekt er­ reicht, wenn der Luftstoß etwa vertikal gegen oder tan­ gential über die abzureinigende Fläche geleitet wird.

Üblicherweise werden Ausblasdüsen verwendet, die als Dü­ senrohr mit über die Länge des Düsenrohrs unveränderli­ chem Querschnitt ausgebildet sind. Eine derartige Düse ist zwar zur Abreinigung von schwer entfernbaren Anbackungen geeignet, jedoch ist die Abreinigungsfläche relativ gering.

Ferner wird zur tangentialen Abreinigung eine sogenannte Fächerausblasdüse im Zusammenhang mit der beschriebenen Druckgaskanone eingesetzt, die längs sämtlicher Querschnitte eine im wesentlichen gleichbleibende Querschnittsfläche auf­ weist. Der Düsenkopf der Fächerausblasdüse weist eine in ei­ ner Düsenebene zum Ausblasende hin zunehmende Innenweite auf, während die Düsenweite in der senkrecht dazu liegen­ den Ebene bis auf einen schmalen Spalt abnimmt. Der je­ weilige Übergang vom Düsenkopf zum Düsenrohr in den beiden genannten Ebenen hat einen relativ niedrigen Krümmungsradius. Zwar kann mit einer derartigen Fächerausblasdüse eine rela­ tiv große Fläche von Anbackungen befreit werden, wenn etwa parallel zu dieser Fläche geblasen wird, jedoch versagt eine derartige Düse bei einem vertikalen Abblasen großflächiger Materialaufhäufungen.

Eine bezüglich ihrer Eigenschaften mit der Fächerausblas­ düse vergleichbare Düse, die ebenfalls bereits angewendet wird, ist eine rotationssymmetrische Ringspaltdüse, die einen sich zum Ausblasende erweiternden Trichter mit einem konusförmigen Einsatz aufweist.

Bezüglich dieses Standes der Technik liegt der vorliegen­ den Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Hochgeschwindig­ keits-Ausblasdüse nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so weiterzubilden, daß bei Steigerung der abreinigbaren Flä­ che die Abblas-Wirkung im wesentlichen ungeschwächt bleibt.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Hochgeschwin­ digkeits-Ausblasdüse durch das Merkmal im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Im Gegensatz zu bekannten Hochgeschwindigkeitsdüsen, die mit einem unveränderlichen Druckgasstrom arbeiten, kommt es bei der gattungsgemäßen Hochgeschwindigkeits-Ausblasdü­ se vor allem auf dynamische Vorgänge an. Dies erklärt sich daraus, daß zur Abreinigungswirkung vor allem dynamische Druckwechselvorgänge beitragen, während die statischen Strömungsverhältnisse lediglich eine untergeordnete Rolle spielen. Empirische Versuche haben ergeben, daß der für eine statische Hochgeschwindigkeitsdüsenbetriebsweise recht unmaßgebliche Krümmungsradius zwischen dem Düsenrohr mit konstantem Querschnitt und dem eigentlichen Düsenkopf ge­ rade für Abreinigungszwecke eine maßgebliche Rolle spielt. Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Überganges zwi­ schen Düsenkopf und Düsenrohr wird bei Vergrößerung der Abreinigungsfläche gegenüber der mit einer rohrförmigen Düse abgereinigten Fläche die hohe Abreinigungswirkung der rohrförmigen Düse erreicht. Somit können auch schwierig zu entfernende Anbackungen mit einer bezogen auf die An­ backungsfläche niedrigen Düsenzahl abgereinigt werden.

Vorzugsweise liegt der Öffnungswinkel des Düsenkopfes bei etwa 12-15°, um hohe Abreinigungsflächen und einen starken Abreinigungsimpuls miteinander zu vereinen, jedoch werden auch mit Öffnungswinkeln zwischen 3 und 30° gute Ergebnis­ se erzielt.

Die Weiterbildungen des Düsenkopfes nach den Ansprüchen 4 und 5 ermöglichen die Erzeugung einer Druckwelle mit besonders steilem Druckanstieg.

Bei der Ausgestaltung des Düsenkopfes nach Anspruch 6 läßt sich eine Druckwelle mit weitgehend ebener Wellenfront er­ zeugen, die auch stärkere Anbackungen sicher ablöst.

Bei Verwenden eines Düsenkopfes mit Einsatzteil nach den Ansprüchen 7 und 8 werden die Abmessungen der abzureini­ genden Fläche vergrößert, ohne die Wirksamkeit wesentlich herabzusetzen. Durch den ringförmigen Eintritt des Druckmediums zwischen die An­ backung und eine abzureinigende Wandfläche wird auch der innerhalb des Ringbereichs liegende Bereich der Anbackung sicher abgelöst. Dadurch, daß der Querschnitt des Ring­ spalts im wesentlichen demjenigen des Düsenrohrs ent­ spricht, bleibt trotz der großen abzureinigenden Fläche die für das Ausblasen erwünschte hohe Geschwindigkeit des Druckmediums, die etwa bei Schallgeschwindigkeit liegt, erhalten.

Eine weitere Möglichkeit zur Steigerung der abgereinigten Fläche ist im Anspruch 9 angegeben.

Bei der Weiterbildung nach Anspruch 10 erzeugt die Düse einen Druckgasimpuls, der sich rotierend ausbreitet. Die der Vorwärtsbewegung überlagerte Rotation des Druckimpul­ ses erhöht die Abreinigungswirkung.

Bei der Ausgestaltung des Düsenkopfes nach Anspruch 11 führt jede Erzeugung eines Druckimpulses zu einem winkel­ mäßigen Verdrehen des Düsenkopfes gegenüber dem Düsenrohr, so daß bei aufeinanderfolgenden Betätigungen ein größerer Flächenbereich überstrichen wird. Somit kann der sich selbst drehende Düsenkopf eine Fläche abreinigen, die sonst nur durch eine Mehrzahl von Düsen abgedeckt werden könnte. Der Düsenkopf kann aber auch durch mechanische Verdrehung derart gestellt werden, daß mit möglichst wenigen Abblasungen eine maximale Flächenabdeckung erreicht wird.

Die Ausgestaltung der Düse nach Anspruch 12 vereinigt die Er­ höhung der Abreinigungswirkung mit einer Ventilwirkung, die ein unerwünschtes Rückschwingen von Gasen nach Betäti­ gung der Druckgaskanone in das Düseninnere verhindert. So­ mit wird ein unerwünschtes Rückschlagen von üblicherweise heißen und stark verschmutzten Gasen bis zum Auslaßventil der Luftkanone verhindert.

Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 bis 3 Längsschnitte durch Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Düse;

Fig. 4 und 5 beispielhafte Querschnittsformen derar­ tiger Düsen;

Fig. 6 einen Querschnitt durch eine Düse mit Ein­ satz;

Fig. 7 einen Längsschnitt durch die in Fig. 6 gezeigte Düse;

Fig. 8 einen Querschnitt durch eine weitere Düsen­ ausführungsform;

Fig. 9 bis 11 Längsschnitte durch Düsen mit einem im we­ sentlichen konusförmigen Einsatz;

Fig. 12 eine Draufsicht auf eine drehbare Düse;

Fig. 13 einen Längsschnitt durch die in Fig. 12 gezeigte Düse; und

Fig. 14 eine Düse mit ventilartigem Einsatzteil.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Grundform der erfindungsgemäßen Hochgeschwindigkeits-Ausblasdüse 1. Die Hochgeschwindigkeits-Ausblasdüse 1 hat im wesentlichen zwei Bereiche, nämlich einen Düsenkopf 2 und ein Düsen­ rohr 3. Das Düsenrohr 3, das ebenso wie der Düsenkopf 2 vorzugsweise rotationssymmetrisch ausgebildet ist, hat einen Düsenrohrradius R ₁, der im wesentlichen über die Längserstreckung des Düsenrohres bis zur Druckgaskanone gleich bleibt. Der Düsenkopf 2 schließt mit einem gekrümm­ ten Bereich an das Düsenrohr 3 an, dessen Krümmungsradius R ₂ oberhalb desjenigen R ₁ des Düsenrohres 3 liegt. Die in­ nere Weite des Düsenkopfes 2 nimmt von dem Übergang zum Düsenrohr 3 bis zu dem Auslaßende 4 des Düsenkopfes 2 ste­ tig zu.

Der Düsenkopf 2 bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 weist einen über seine Länge im wesentlichen gleichbleibenden Öffnungswinkel α auf. Dieser Öffnungswinkel liegt zwischen 3 und 30°, vorzugsweise jedoch bei etwa 12-15° gegenüber der Längsachse der Düse.

Eine abgewandelte Ausführungsform der beispielhaften Düse gemäß Fig. 1 ist in Fig. 2 gezeigt. Die Düse gemäß Fig. 2 weist einen trompetentrichterartigen Verlauf auf. Mit an­ deren Worten geht bei der Düse gemäß Fig. 2 das Düsenrohr 3 mit dem Radius R ₁ kontinuierlich in den Düsenkopf 2 über. Der Krümmungsradius R ₂ des Überganges zwischen Düsenkopf 2 und Düsenrohr 3 variiert über die Länge der Düse, wobei jedoch auch in diesem Fall der Bereich niedrigster Krüm­ mung einen Krümmungsradius aufweist, der größer als der Innenradius des Düsenrohres ist.

Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausgestaltung der Hochgeschwin­ digkeits-Ausblasdüse 1 geht das Düsenrohr 3 mit einer trompetentrichterartigen Erweiterung in einer ersten Krüm­ mungsrichtung in den Düsenkopf 2 über, der an seinem aus­ blasseitigen Ende 4 mit einer zur ersten Krümmung entgegen­ gesetzten zweiten Krümmung R ₃ tulpenkopfähnlich ausgeformt ist. Vorzugsweise liegt bei dieser S-förmigen Ausgestaltung des Wandverlaufes des Düsenkopfes 2 der Radius der zweiten Krümmung R ₃ oberhalb des Radius R ₁ des Düsenrohres.

Je nach gewünschter Verteilung der zu erzeugenden Druck­ wellenfront können die Düsen nach den Fig. 1 bis 3 auch die in den Fig. 4 und 5 gezeigten, im wesentlichen vier- oder dreieckigen Querschnittsformen haben. Fig. 6 zeigt einen Querschnitt durch eine Hochgeschwindigkeits-Ausblas­ düse 1 mit einem Einsatzteil 5, das die Querschnittsfläche des Düsenkopfes 2 in vier gleich große und gleich geformte Teilflächen 16, 17, 18 und 19 unterteilt. Die Summe der Teilquerschnittsflächen 16 bis 19 stimmt im wesentlichen mit der Querschnittsfläche des Düsenrohres 3 überein. Wie aus Fig. 6 in Verbindung mit Fig. 7 zu sehen ist, die einen Längsschnitt längs der Linie A-A′ gemäß Fig. 6 darstellt, ist das Einsatzteil 5 am Düsenkopf 2 mittels vier gleich beabstandeter Teilflächen 7 befestigt. Die Teilflächen er­ strecken sich im wesentlichen über die gesamte Länge des Düsenkopfes 2.

Die Fig. 8 und 9 zeigen einen Quer- bzw. Längsschnitt einer weiteren Ausführungsform der Hochgeschwindigkeits- Ausblasdüse 1 mit einem Einsatzteil 5. In Abweichung von dem in den Fig. 6 und 7 gezeigten Ausführungsbeispiel hat die hier gezeigte Ausblasdüse 1 ein konusförmiges Ein­ satzteil 5, das mit ebenen Leitblechen 7 innerhalb des Dü­ senkopfes 2 festgelegt ist. Eine derartige Ausführungsform läßt sich fertigungstechnisch besonders einfach realisie­ ren.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 10 ist das Einsatzteil als Hohlkonus 8 ausgeführt. Der Hohlkonus 8 legt einen Ringspalt 6 zur Innenwand des Düsenkopfes 2 fest. Ferner weist der Hohlkonus 8 eine Innenbohrung 9 auf, deren Weite zum Auslaßende 4 des Düsenkopfes 2 hin geringfügig zunimmt.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 11 ist der Innenbereich des Düsenkopfes 2 durch einen konusförmigen Einsatz 5 und zwei konische Leitflächen 10 und 11 unterteilt, die im we­ sentlichen parallel zur Innenwandung des Düsenkopfes 2 so­ wie zur Außenfläche des Konus 5 verlaufen. Beide Leitflä­ chen 10, 11 weisen an ihrem dem Düsenrohr 3 zugewandten Ende eine Öffnung 20, 21 auf.

Fig. 12 zeigt eine Draufsicht auf und Fig. 13 einen Längs­ schnitt durch eine im Querschnitt dreiecksförmige Hochge­ schwindigkeits-Ausblasdüse 1. Die Düse 1 ist um eine Dreh­ achse 12 drehbar gelagert. Die Drehachse 12 wird durch ein Drehlager 13, das mit der Außenwandung des Düsenrohres 3 abschließt, festgelegt. Die Längsachse des Düsenkopfes 2 ist gegenüber der Längsachse des Düsenrohres 3 winkelig angeordnet. Die Düse 1 weist einen konusförmigen, im Quer­ schnitt im wesentlichen dreieckigen Einsatz 5 auf, mit dem eine spaltförmige, dreiseitige Düsenöffnung festgelegt wird. Der Düsenkopf 2 lenkt das Druckgas an seiner Auslaß­ seite 4 mit einem winkelmäßigen Versatz zu seiner Drehach­ se 12. Der Schwerpunkt des den Düsenkopf 2 verlassenden Gasstromes weist einen radialen Versatz gegenüber der Dreh­ achse 12 auf. Somit bewirkt die Reaktionskraft des das Aus­ trittsende 4 des Düsenkopfes 2 verlassenden Druckgases eine Drehung der Ausblasdüse 1 um ihre Achse 12. Bei der impuls­ artigen Betätigung der Druckgaskanone nimmt die Düse 12 mit jedem Druckluftstoß eine Lage ein, die um einen bestimmten Winkel gegenüber ihrer vorherigen Lage versetzt ist. Somit überstreicht die drehbare Düse bei mehreren Betätigungen der Druckgaskanone einen Abreinigungsflächenbereich, der einem Mehrfachen des üblichen abgereinigten Bereiches ent­ spricht.

Fig. 14 zeigt eine weitere Hochgeschwindigkeits-Ausblas­ düse, die an einer Wandung 22 eines Zementdrehofens mit ihrem Düsenkopf 2 angeflanscht ist. Das Düsenrohr 3 ent­ hält ein in Längsrichtung des Düsenrohres verlaufendes Teilerblech 23, an dem ein Gleitlager 14 abgestützt ist.

Das Gleitlager 14 trägt einen Führungsstift 24, der mit­ tels einer Feder 15 entgegen der Strömungsrichtung vorge­ spannt ist. An dem dem Düsenkopf 2 zugewandten Ende des Führungsstiftes 24 ist ein konusförmiges Einsatzteil 5 be­ festigt, das bei nicht betätigter Druckgaskanone dichtend an der Innenwandung des Düsenkopfes 2 anliegt. Bei Betäti­ gung der Druckgaskanone wird der Konus 5 in Strömungsrich­ tung versetzt, so daß ein Ringspalt 6 zwischen Konus 5 und Düsenkopf 2 gebildet wird.

Claims (12)

1. Hochgeschwindigkeits-Ausblasdüse für eine Druckgaska­ none mit einem Düsenkopf und einem sich von der Druckgas­ kanone zum Düsenkopf erstreckenden Düsenrohr, das einen von der Druckgaskanone bis zum Düsenkopf im wesentlichen gleichbleibenden Querschnitt aufweist, wobei die Weite des Düsenkopfes vom Düsenrohr zum Ausblasende des Düsenkopfes stetig zunimmt, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenkopf (2) mit einem oberhalb des Düsenrohrra­ dius (R ₁) liegenden Krümmungsradius (R ₂) stetig in das Dü­ senrohr (3) übergeht.

2. Hochgeschwindigkeits-Ausblasdüse nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß der Öffnungswinkel (α) des Düsenkopfes (2) gegenüber der Düsenachse zwischen 3 und 30° liegt.

3. Hochgeschwindigkeits-Ausblasdüse nach Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der Öffnungswinkel (α) bei etwa 12°-15° liegt.

4. Hochgeschwindigkeits-Ausblasdüse nach einem der An­ sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenkopf (2) eine zum Ausblasende (4) hin stetig zunehmende Weite hat.

5. Hochgeschwindigkeits-Ausblasdüse nach Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet,
daß der Düsenkopf (2) vom Düsenrohr (3) in Richtung zum Ausblasende (4) eine erste Krümmungsrichtung aufweist, und
daß sich der Düsenkopf (2) in Richtung zu seinem Ausblas­ ende (4) im Anschluß an den Düsenbereich der ersten Krüm­ mungsrichtung mit einer zweiten, zur ersten Krümmungsrich­ tung entgegengesetzten Krümmungsrichtung mit stetig zum Ausblasende (4) hin zunehmender Düsenweite fortsetzt.

6. Hochgeschwindigkeits-Ausblasdüse nach einem der An­ sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenkopf (2) rotationssymmetrisch ausgebildet ist.

7. Hochgeschwindigkeits-Ausblasdüse nach einem der An­ sprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Düsenkopf (2) ein Düseneinsatzteil (5) angeordnet ist, das einen in Richtung zum Ausblasende (4) zunehmenden Querschnitt aufweist.

8. Hochgeschwindigkeits-Ausblasdüse nach Anspruch 7, da­ durch gekennzeichnet, daß das Düseneinsatzteil als Konus (5) ausgebildet ist, durch den ein Ringspalt (6) mit einer Querschnittsfläche festgelegt wird, die derjenigen des Düsenrohres entspricht.

9. Hochgeschwindigkeits-Ausblasdüse nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Düsenkopf (2) und dem Düseneinsatzteil (5) wenigstens eine Teilerfläche (7) angeordnet ist, mittels der die Querschnittsfläche in wenigstens zwei, im wesent­ lichen gleich große und gleich geformte Teilquerschnitts­ flächen unterteilt wird.

10. Hochgeschwindigkeits-Ausblasdüse nach Anspruch 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die Teilerfläche (7) derart gegenüber einer Längsachse (12) des Düsenkopfes (2) winkelmäßig angestellt ist, daß der den Düsenkopf (2) durchlaufende Gasstrom in eine Dre­ hung um die Längsachse (12) versetzt wird.

11. Hochgeschwindigkeits-Ausblasdüse nach einem der An­ sprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß der Düsenkopf (2) gegenüber dem Düsenrohr (3) um eine Drehachse drehbar gelagert ist, und
daß der Düsenkopf (2) das Druckgas mit einem winkelmäßigen Versatz zur Drehachse sowie mit einem radialen Versatz ge­ genüber dieser ausbläst.

12. Hochgeschwindigkeits-Ausblasdüse nach einem der An­ sprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet,
daß das Einsatzteil (5) in Strömungsrichtung gegenüber dem Düsenkopf (2) beweglich gelagert ist und
daß es im Ruhezustand federnd entgegen der Strömungsrich­ tung an einer Anlagefläche im Düsenkopf (2) dichtend an­ liegt.