DE3609350A1 - Duese zur zerstaeubung von fluessigkeiten - Google Patents
Duese zur zerstaeubung von fluessigkeitenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Düse zum Zerstäuben von flüssigen
Medien insbesondere hochviskosen Medien besonders in der
Lebenmsittel- und chemischen Industrie. Besonders ist die Düse
geeignet für den Einsatz in Wirbelschichtsprühgranulatoren. Es
lassen sich alle Arten von Dispersionen, Emulsionen, Suspensionen
bzw. Aufschlämmungen schonend damit versprühen.
Düsenkonstruktionen sind in der Regel bestimmten Anwendungsgebieten
angepaßt, so daß die technologischen Parameter einer
Düse, zum Beispiel Sprühwinkel, Sprühkegelform, Tröpfchengröße
oder Durchsatz nur in geringen Grenzen verändert werden
können.
Bei bekannten technischen Verfahren werden Flüssigkeiten
zum Zerstäuben und zur Erzeugung kleiner Tröpfchen mit hohem
Druck durch Düsen gepreßt. Beim Austritt aus der Düse entstehen
infolge der Entspannung Tröpfchen unterschiedlicher
Größe (Einstoffdüse). Bei anderen Ausführungen werden Flüssigkeiten
mit geringem Druck einer Düse zugeführt und durch Druckluft
die parallel oder senkrecht zum Flüssigkeitsstrahl geführt
wird, in kleine Tröpfchen zerrissen (Zweistoffdüse).
Düsen dieser Bauart erfordern beim Versprühen von viskosen
Flüssigkeiten einen hohen Flüssigkeitsdruck. Beim Unterbrechen
des Sprühvorganges muß zur Vermeidung eines Nachtropfens
der Düse ein zusätzliches pneumatisches, elektrisches oder
mechanisches Verschlußsystem eingebaut werden.
Durch eine spezielle Zuordnung von Flüssigkeitsdüse und
Luftdüse ist es möglich, daß die Flüssigkeit durch den
Unterdruck, den die austretende Druckluft erzeugt, aus dem
Vorratsbehälter gesaugt wird (Injektionsdüse).
In der DE-PS 5 58 542 wird eine Düse beschrieben, die für das
Vernebeln von Farbe vorgesehen ist, bei der ein Injektionsrohr
in ein Düsengehäuse ragt. Die Sprühluft wird durch das
Düsengehäuse gedrückt und saugt dabei durch den Unterdruck
aus seitlich im Injektionsrohr angebrachten Bohrungen die
Flüssigkeit. Dieselbe läuft an der Innenseite des Düsengehäuses
ab und wird am Düsenaustritt vom Luftstrom zerstäubt.
Diese Düse hat den Nachteil, daß sie sich lediglich für das
Vernebeln von dünnflüssigen Medien eignet, da die hier im
Betrieb entstehende Injektorwirkung zu gering ist, Medien
hoher Viskosität anzusaugen.
Diese Lösung hat ferner den Nachteil, daß eine Regelung der
zu zerstäubenden Flüssigkeitsmenge nur über die Veränderung
von Luftmenge und Luftdruck der Zerstäubungsluft möglich ist.
Bei konstanter Luftmenge und Luftdruck ist die Variation der
zur Zerstäubung kommenden Flüssigkeitsmenge mit anderen
Mitteln nicht möglich.
In der US-PS 42 56 263 wird eine Einstoffdüse beschrieben,
die für hohe Produktdrücke ausgelegt ist.
Diese Düse ist mit einer Drallvorrichtung für die zu verdüsende
Flüssigkeit ausgestattet, die eine gleichmäßige
Ausbildung des Sprühkegels garantiert. Flüssigkeiten
mit hoher Viskosität können mit dieser Düse nicht vernebelt
werden, da die eingebauten Drallelemente bei hochviskosen
Substanzen verkleben und unbrauchbar werden. Außerdem hat
jede Einstoffdüse den Nachteil, daß mit sehr hohen Drücken
in einem engen Winkelbereich gearbeitet werden muß.
(ca. 18 bis 22 MPa), um einen guten Sprühnebel zu erzeugen.
Eine Variation des Durchsatzes ist in diesem engen Wirkbereich
nicht gegeben.
Düsen, die einen Flüssigkeitsnebel in Form eines Hohlkegels
bilden, sind für den Einsatz in Wirbelschichtsprühgranulatoren
ungeeignet. Von besonderer Wichtigkeit in Wirbelschichtsprühgranulatoren
ist, daß die zu vernebelnde Flüssigkeit
fein und gleichmäßig flächendeckend auf das Wirbelbett aufgesprüht
wird, um Verklumpungen des Granulats, die zur vorzeitigen
Unterbrechung des Granulierens führen, zu unterbinden.
In der SU-PS 8 22 914 wird eine Düse beschrieben, bei der in einem
teils zylindrischen teils kegelförmigen Hohlraum in Form einer
Hülse die Flüssigkeit mit dem Zerstäubungsmedium (z. B. Druckluft)
gemischt wird.
Die Flüssigkeit wird aus einem inneren Rohr durch seitliche
Bohrungen in den Hohlraum gedrückt. Das Zerstäubungsmedium
gelangt nach Passage von Drallschlitzen, die das Medium in
kreisende Bewegung versetzen, ebenfalls in den Hohlraum.
Die Zerstäubung wird dadurch erreicht, daß Zerstäubungsmedium
und Flüssigkeit kranzförmig aus der Düse austreten.
Die Düse hat den Nachteil, daß ein Hohlkegel erzeugt wird, der
durch die Anordnung einer Prallplatte unter dem kranzförmigen
Düsenaustritt noch unterstützt wird.
In der GB-PS 11 31 459 wird eine Düse beschrieben, die für die
Verarbeitung von thermoplastischen Massen bestimmt ist, die aus
einer heizbaren Substanzdüse (Flüssigkeitsdüse) mit einem kegelstumpfförmigen
Ende und einer Gasdüse besteht.
Das flüssige Thermoplast tritt aus einer Anzahl Strahlöffnungen,
die sich im kegelstumpfförmigen Ende befinden, in den Innenraum
der Gasdüse ein, die über mindestens einen tangential einmündenden
Gaseintritt mit Gas versorgt wird. Hier mischt sich das auf einer
Kreisbahn strömende Gas mit dem Thermoplast. Der Sprühnebel wird
dadurch erzeugt, daß das Gemisch über einen ringförmigen Spalt austritt.
Da es sich hier um eine gänzlich andere Technologie handelt,
als es die Wirbelschichtgranulation darstellt, ist es nicht möglich,
eine Düse dieser Bauart ohne weiteres für dieselbe zu übertragen.
Wie in der Schrift mitgeteilt wird, muß um den nötigen Feinheitsgrad
des Sprühnebels zu erreichen, die Viskosität der
Thermoplastschmelze äußerst gering sein. Nicht nur, daß diese
Forderung durch das verhältnismäßig schnelle Erstarren dieser
Schmelze während des Versprühens bedingt ist, sondern es ist auch
vielmehr festzustellen, daß die Vermischung der beiden Medien
verhältnismäßig kurz vor dem Austritt aus dem Düsenspalt erfolgt
und daher der Mischeffekt nur gering ist, was sich bei hochviskosen
Flüssigkeiten ungünstig auswirkt.
Weiterhin ist in der GB-PS 21 06 422 eine Düse beschrieben
worden, bei der auf der Mantelfläche eines Kegelstumpfes spiralförmige
Führungskanäle angeordnet sind, die für die Führung des
für die Zerstäubung benötigten gasförmigen Mediums dienen.
Die Flüssigkeit, im vorliegenden Falle Kraftstoff, wird in
einer zentral angeordneten Bohrung zugeführt. Die Vermischung
der Medien erfolgt im Brennpunkt außerhalb der Düse, wobei
der Brennpunkt die Stelle ist, wo von dem Kegelstumpf als
Kegel gedacht, seine Spitze sich befinden
würde. Der Kegelstumpf selbst ist durch eine entsprechende
Kappe, mit zentrischer Austrittsöffnung versehen, abgedeckt.
Eine Düsenanordnung dieser Art eignet sich nur für extrem
dünnflüssige Medien, wie es z. B. Kraftstoff ist, bei denen
eine Mischung und Zerstäubung außerhalb des Düsengehäuses
möglich ist. Hochviskose Medien lassen sich mit einer solchen
Düse nicht zerstäuben, da die Flüssigkeit infolge ihrer großen
Zähigkeit sich fast gar nicht mit der strömenden Luft mischen
würde.
In der AT-PS 3 72 304 ist eine Düse beschrieben, die zum Zerstäuben
von elektrostatisch aufgeladenem Pulver dient. Der
Aufbau der Düse ist im wesentlichen dergestalt, daß ein
zylindrischer Körper im Innern der Düse einen wendelförmigen
Luftführungskanal aufweist, der in einem schmalen Ringspalt
endet, der sich in unmittelbarer Nähe des Düsenaustritts befindet.
Im Zentrum der Düse ist der Kanal zur Zuführung des
Pulvers angeordnet, an dessen Ende sich die Elektroden zur
statischen Aufladung des Pulvers befinden.
Eine Düse dieser Art zeigt beim Einsatz für die Zerstäubung
hochviskoser Medien ähnliche Mängel wie die vorhergehend genannten,
vor allem reicht die kinetische Energie des aus dem
einen wendelförmigen Kanal austretenden Luftstrahles nicht aus,
hochviskose Medien entsprechend den geforderten Bedingungen
zu zerstäuben. Eine Verwendung einer solchen Düse auf diesem
Gebiet ist deshalb nicht möglich.
Nach der GB-PS 13 88 468 ist eine Zerstäubungsinjektionsdüse
bekannt geworden, die insbesondere für flüssigen Brennstoff
geringer Qualität und hoher Viskosität, wie Schweröl,
gedacht ist. Im wesentlichen ist die Düse in der Art ausgeführt, daß
auf einem abgedeckten Kegelstumpf eine Vielzahl
von spiralförmigen Luftkanälen vorgesehen ist, denen in
den Kanälen oder, in Strömungsrichtung gesehen, in deren
Nähe, Bohrungen für die Zuführung des Brennstoffs zugeordnet
sind. Der Brennstoff wird durch die durch die Kanäle
strömende Luft angesaugt und mit derselben verwirbelt.
Diese Bohrungen liegen jedoch verhältnismäßig nahe an der
Düsenaustrittsöffnung, so daß es zu einer intensiven Vermischung
der Medien Luft und Brennstoff erst außerhalb der
Düse kommen kann. Die kinetische Energie der strömenden Luft
ist hierbei nicht ausreichend, um den Brennstoff soweit zu
verwirbeln, daß er in feinster Verteilung vom Luftstrom
mitgeführt werden kann. Sollen mit einer solchen Düse hochviskose
Medien, wie sie in der Lebensmittel- oder chemischen
Industrie zu verarbeiten sind, zerstäubt werden, so führt
dies zu einer äußerst mangelhaften Vermischung der infrage
kommenden Medien einerseits, und andererseits bleibt die
Bildung eines entsprechenden Sprühkegels aus. Es kommt zu
einer groben Tropfenbildung des zu zerstäubenden Mediums.
Außerdem werden hochviskose Medien von dem vorbeiströmenden
Luftstrahl nur äußerst schlecht angesaugt. Wenn auch bei
dem Brennstoff von einer hohen Viskosität gesprochen wird
so ist sie doch weit geringer als die der in den genannten
Industrien zu verarbeitenden Medien. Der Einsatz einer solchen
Düse ist deshalb nicht möglich.
Weiterhin ist nach DE-PS 9 22 039 eine verstellbare Düse zum
Vernebeln von flüssigen, breiigen oder pulverförmigen Stoffen
bekannt, bei der ebenfalls sowohl eine Zuführung des zu verstäubenden
Mediums als auch von Luft vorgesehen ist. Dazu
sind im Düsenkörper zwei konzentrisch angeordnete Bauteile
vorgesehen, die je einen wendelförmigen Kanal aufweisen, wobei
der eine der Führung der Luft und der andere der Führung des
zu verstäubenden Mediums dient, das mit Hilfe von radialen
Bohrungen von einem zentrischen Kanal nach dem wendelförmigen
Kanal geleitet wird. Die wendelförmigen Kanäle weisen hierbei
einen gegenläufigen Drall auf. Dieser Düsenausführung ist es
zu eigen, daß beide zu vermischenden Medien erst außerhalb des
Düsengehäuses aufeinandertreffen, da beide Medien aus getrennten
konzentrisch zueinander angeordneten Düsenaustrittsöffnungen
austreten. Es entsteht hierbei die Form eines Hohlkegels.
Sollen hochviskose Medien versprüht werden, so ist diese Düse
ungeeignet, da der Mischvorgang außerhalb des Düsengehäuses
bei derartigen Medien nur unvollständig erfolgt und es zu
einer groben Tröpfchenbildung kommt.
Die Erfindung hat sich das Ziel gestellt, eine Düse zu schaffen,
die es ermöglicht, vornehmlich hochviskose Medien auf das
Feinste zu zerstäuben, wobei eine schonende Behandlung der zu
verarbeitenden Dispersionen, Emulsionen, Suspensionen bzw. Aufschlämmungen
gewährleistet sein soll.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Düse zum Einsatz
in der Lebensmittel- bzw. chemischen Industrie zu schaffen, mit
der vorzugsweise hochviskose Medien in Wirbelschichtsprühgranulatoren
feinst zerstäubt werden können.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß in einem
aus einem Grundkörper und einer einschraubbaren Kappe bestehenden
Düsengehäuse ein Düsenkörper angeordnet ist, der im wesentlichen
eine zylindrische Form aufweist und nach dem in der Kappe
befindlichen Düsenaustritt hin kegelstumpfförmig ausläuft, wobei
der zylindrische Teil eine Anzahl von Strömungskanälen aufweist,
die nach der Art der Gänge eines vielgängigen Gewindes
angeordnet sind, und im Zentrum des Düsenkörpers eine etwa in
Höhe des beginnenden kegelstumpfförmigen Endes des Düsenkörpers
endende Bohrung sich befindet, von der Kanäle abgehen, die jeweils
in die Strömungskanäle, vorzugsweise an deren Ende vor
dem Beginn des kegelstumpfförmigen Endes des Düsenkörpers
einmünden, wobei das kegelstumpfförmige Ende sowie die gegenüberliegende
Kegelfläche in der Kappe gehärtet und hochglanzpoliert
sind. Hierbei sind die im zylindrischen Teil des Düsenkörpers
angeordneten Strömungskanäle durch eine gemeinsame
Ring-Druckkammer untereinander verbunden, von der aus sie mit
dem Druckmedium, im einfachsten Falle Luft, versorgt werden.
Bei der Auslegung der Düsen, die Durchsatzvolumina betreffend,
ist es möglich, die Strömungskanäle mit unterschiedlichen
Querschnittsformen auszubilden. So können die Strömungskanäle
mit halbkreisförmigem rechteckigem bis parallelogrammförmigem,
trapezförmigem oder auch dreieckigem Querschnitt ausgeführt
werden. Die Kanäle, die die im Zentrum des Düsenkörpers befindliche
Bohrung mit den Strömungskanälen im zylindrischen Teil
verbinden, können zylinderförmig, aber auch diffusorartig ausgebildet
sein. Letztere Ausbildung bewirkt eine leichte Druckerhöhung
des durchströmenden hochviskosen Mediums, was sich günstig
auf die Mischung beider Medien auswirkt.
Die Erfindung bietet den Vorteil, daß eine Düse geschaffen
worden ist, die es ermöglicht, selbst hochviskose Medien in
feinster Verteilung in Form einesn Vollkegels zu versprühen.
Durch die Vielzahl der im zylindrischen Teil des Düsenkörpers
angeordneten Strömungskanäle, die die Form von Gewindegängen
eines vielgängigen Gewindes aufweisen, wird dem strömenden gasförmigen
Medium ein Drall mit hoher kinetischer Energie erteilt.
Im Stadium der höchsten Steigerung derselben wird das hochviskose
Medium, nämlich am Ende der Strömungskanäle zugeführt. Dadurch,
daß jedem Strömungskanal nur jeweils eine kleine Menge des hochviskosen
Mediums zugeführt wird, erfolgt eine äußerst intensive
Vermischung beider Medien, die nunmehr in verwirbelter Form
zwischen den hochglanzpolierten Flächen vom kegelstumpfförmigen
Ende des Düsenkörpers und der Gegenfläche in der Kappe strömen
und sich dabei noch weiter mischen. Durch die Hochglanzpolitur
dieser Flächen werden nahezu alle auftretenden Reibungsverluste,
besonders die durch die Grenzschichttreibung hervorgerufenen,
vermieden. Dadurch kann die Mischung der beiden Medien mit der
gesamten ihr erteilten kinetischen Energie aus dem Düsenaustritt
austreten und wird dabei in feinste Tröpfchen zerstäubt.
Die Erfindung ist an Hand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.
In der zugehörigen Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Düse im Schnitt
Fig. 2 ein Düsenkörper in Seitenansicht
Fig. 3 bis 7 verschiedene mögliche Querschnittsformen der
Strömungskanäle.
Die Düse gemäß der Erfindung besteht aus dem Grundkörper 1
in den die Kappe 2 eingeschraubt ist. Diese beiden Teile
bilden das Düsengehäuse, darin befindet sich der Düsenkörper 3
der mittels Gewinde 4 in den Grundkörper 1 eingeschraubt ist.
Die Kappe 2 ist mit Außengewinde 5 versehen, das ein Feingewinde
ist; dadurch ist eine Verstellung der Breite des
Ringraumes 6 am Düsenaustritt 7 möglich. Im Grundkörper 1
befindet sich die Ring-Druckkammer 8, die über die Bohrungen 9
mit dem zur Zerstäubung notwendigen gasförmigen Medium, das
im einfachsten Falle Luft ist, versorgt wird. Von der
Ring-Druckkammer 8 gehen eine Vielzahl von Strömungskanälen
10 ab, die in den Düsenkörper 3 eingearbeitet sind. Diese
Strömungskanäle 10 sind nach der Art der Gänge eines vielgängigen
Gewindes angeordnet. Im Zentrum des Düsenkörpers 3
ist eine Bohrung 11 vorgesehen, die zur Zuführung des zu
zerstäubenden Mediums, das vornehmlich eine hochviskose
Flüssigkeit ist, dient. Diese Bohrung 11 ist nicht durchgehend,
sondern endet im Innern des Düsenkörpers 3 etwa dort,
wo außen an dem zylindrischen Teil 12 das kegelstumpfförmige
Ende des Düsenkörpers 3 beginnt. Von der Bohrung 11
führen Kanäle 14 nach den Strömungskanälen 10, die genau
an der Stelle einmünden, wo der zylindrische Teil 12 endet.
Die Kanäle sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel
diffusorartig ausgebildet.
Das kegelstumpfförmige Ende 13 des Düsenkörpers 3 ist an
seiner Oberfläche gehärtet und hochglanzpoliert, ebenso die
innere Kegelfläche 15 der Kappe 2.
Die Fig. 3 bis 7 stellen mögliche Querschnittsformen der
Strömungskanäle 10 dar, wie in Fig. 3 gezeigt, halbkreisförmig
sein können, aber auch parallelogrammförmiger (Fig. 4)
rechteckiger, trapezförmiger oder dreieckförmiger Querschnitt
ist möglich; derselbe richtet sich in erster Linie nach den
durchzusetzenden Volumina.
Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Düse ist wie folgt:
In die mit Pfeilen gekennzeichneten Zuleitungen strömt
einmal das als Zerstäubungsmittel dienende Gas und zum
anderen das hochviskose, zu zerstäubende Medium.
Das Gas gelangt durch Bohrung 9 in die Ring-Druckkammer 8,
von welcher die im zylindrischen Teil 12 des Düsenkörpers 3
befindlichen Strömungskanäle 10 abgehen. Infolge ihrer Gestaltung
erhält hier das strömende Gas einen Drall.
An der Stelle, an der die kinetische Energie des strömenden
Gases am größten ist, münden die Kanäle 14 ein, durch welche
das hochviskose Medium gedrückt wird. Durch diese feine Dosierung
desselben zum strömenden Gas kommt es dabei zu einer
innigen Vermischung. Diese Mischung strömt nunmehr unter
kreisender Bewegung in den Ringraum 6. Dabei ist sowohl die
Oberfläche des kegelstumpfförmigen Endes 13 als auch die gegenüberliegende
Kegelfläche 15 gehärtet und hochglanzpoliert.
Hierdurch wird einmal eine hohe Lebensdauer der Düse erreicht,
aber auch die Grenzschichtreibung auf ein Minimum reduziert,
die gerade bei der Verarbeitung von hochviskosen Medien zu
starken Verlusten an kinetischer Energie führt, was wiederum
zu einer Verminderung der Leistung der Düse hinsichtlich Sprühwinkel
und Tröpfchengröße führt. Die am Düsenaustritt 7 austretende
Mischung wird in Form eines Vollkegels versprüht.
Die diffusorartigen Kanäle 14 bewirken eine leichte Druckerhöhung
des hochviskosen Mediums, und wie es sich gezeigt hat,
damit einen günstigen Einfluß auf den Mischvorgang. Außerdem
wird hierdurch ein Nachtropfen der Düse nach Stillsetzen der
Anlage vermieden.
- Verzeichnis der verwendeten Positionszeichen
1 Grundkörper
2 Kappe
3 Düsenkörper
4 Gewinde am Düsenkörper
5 Außengewinde an der Kappe
6 Ringraum
7 Düsenaustritt
8 Ring-Druckkammer
9 Bohrungen
10 Strömungskanäle
11 Bohrung im Zentrum des Düsenkörpers
12 zylindrischer Teil des Düsenkörpers
13 kegelstumpfförmiges Ende des Düsenkörpers
14 Kanäle
15 Kegelfläche
Claims (4)
1. Düse zum Zerstäuben von flüssigen Medien insbesondere
hochviskosen Medien besonders in der Lebensmittel- und
chemischen Industrie für den Einsatz in Wirbelschichtsprühgranulatoren
dadurch gekennzeichnet, daß in einem aus einem
Grundkörper (1) und einer einschraubbaren Kappe (2) bestehenden
Düsengehäuse ein Düsenkörper (3) angeordnet ist, der im
wesentlichen eine zylindrische Form aufweist und nach dem
in der Kappe (2) befindlichen Düsenaustritt (7) hin kegelstumpfförmig
ausläuft, wobei der zylindrische Teil (12) eine
Anzahl von Strömungskanälen (10) aufweist, die nach der Art
der Gänge eines vielgängigen Gewindes angeordnet sind, und
im Zentrum des Düsenkörpers (3) eine etwa in Höhe des beginnenden
kegelstumpfförmigen Endes (13) des Düsenkörpers (3) endende
Bohrung (11) sich befindet, von der Kanäle (14) abgehen, die
jeweils in die Strömungskanäle (10) vorzugsweise an deren
Ende vor dem Beginn des kegelstumpfförmigen Endes (13) des
Düsenkörpers einmünden, wobei das kegelstumpfförmige Ende (13)
sowie die gegenüberliegende Kegelfläche (15) in der Kappe (2)
gehärtet und hochglanzpoliert sind.
2. Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanäle
(10) im zylindrischen Teil (12) über eine gemeinsame
Ring-Druckkammer (8) mit Druckmedium beaufschlagbar sind.
3. Düse nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß
die Strömungskanäle (10) halbkreisförmigen rechteckigen bis
parallelogrammförmigen trapezförmigen oder auch dreieckigen
Querschnitt aufweisen.
4. Düse nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kanäle (14) eine zylindrische oder auch diffusorartige
Gestalt aufweisen können.
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