DE3913334A1 - Vorrichtung fuer die zerstaeubung von fluessigkeit oder fuer die zerteilung von gas in kleine blasen - Google Patents
Vorrichtung fuer die zerstaeubung von fluessigkeit oder fuer die zerteilung von gas in kleine blasenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zerstäu
bung von Flüssigkeit mit Hilfe von Gas oder für die
Zerteilung von Gas in kleine Blasen mit Hilfe von
Flüssigkeit, wobei das Gas und die Flüssigkeit in
einer Mischkammer zu einem Zwei-Phasen-Gemisch zusam
mengeführt und vermischt werden und wobei die Zuström
geschwindigkeiten und die Volumenströme der einzelnen Pha
sen unter Berücksichtigung der Zustandsgrößen des sich
daraus ergebenden Zwei-Phasen-Gemisches im Hinblick
auf den Auströmquerschnitt der Mischkammer so gewählt
sind, daß die Auströmgeschwindigkeit des Zwei-Phasen-
Gemisches etwa gleich der charakteristischen Schallge
schwindigkeit des Zwei-Phasen-Gemisches ist und das
Zwei-Phasen-Gemisch die Mischkammer mit einer sprung
haften Druckerniedrigung verläßt.
Eine derartige Mischvorrichtung ist durch die DE-PS
26 27 880 bekannt. Sie zeichnet sich durch eine wir
kungsvolle Zerstäubung von Flüssigkeiten bzw. Zer
teilung von Gasen in viele kleine Blasen bei geringem
Energiebedarf aus. Im folgenden wird nur noch von der
Zerstäubung von Flüssigkeiten gesprochen, doch eignet
sich die Erfindung gleichermaßen auch für die Zertei
lung von Gasen.
In zahlreichen Gebieten der Verfahrenstechnik, z. Bsp.
in der Trocknungstechnik oder der Verbrennungstechnik,
werden Zerstäubungseinrichtungen für Flüssigkeiten be
nötigt. Meist finden Stoff- und/oder Wärmeaustauschvor
gänge zwischen der zerstäubten Flüssigkeit und einem
Gas statt. Hierzu ist es notwendig, die Flüssigkeit so
fein wie möglich zu zerstäuben, um eine große Phasen
grenzfläche zwischen beiden Stoffen zu erzielen.
In bestimmten Anwendungsbereichen der erfindungs
mäßen Düse, etwa bei der chemischen Entschwefelung von
Rauchgas mit Kalkmilch oder bei der Abkühlung von Rauch
gas durch eingespritztes Wasser, ergibt sich das Pro
blem, daß die zu behandelnden Gasmengen stark schwan
ken. Dies hat zur Folge, daß die hierfür benötigte, zu
zerstäubende Wassermenge entsprechend starken Schwan
kungen unterliegt.
Untersuchungen der Anmelderin haben für den beschrie
benen Fall des Teillastbetriebes ergeben, daß bei re
duzierter Flüssigkeitmenge der Treibgasverbrauch stark
zunimmt. Die Ursache hierfür dürfte darin liegen, daß
der reduzierte Flüssigkeitsdurchsatz in der Düse einen
freien Querschnitt zur Verfügung stellt, der von der
Gaskomponente ausgefüllt wird.
Man kann zwar zur Reduzierung des Gasverbrauches im Teil
lastbetrieb mehrere entsprechend kleiner dimensionierte
Düsen verwenden und diese dann je nach Bedarf zu- oder
abschalten. Dieses Verfahren ist aber aufgrund der
zahlreichen erforderlichen Düsen sehr kostenaufwendig
und auch nicht überall anzuwenden.
Sofern man versucht, den Gasdruck vor der Düse zu verrin
gern um dadurch den Gasverbrauch zu reduzieren, so ergibt
sich eine relativ grobe Zerstäubung, was in reaktionsche
mischer Hinsicht unerwünscht ist. Darüberhinaus benötigt
man für die unterschiedlichen Druckniveaus jeweils Kon
stanthalter, so daß diese Methode ebenfalls aufwendig ist.
Hiervon ausgehend liegt die Aufgabe der vorliegenden Er
findung darin, die eingangs beschriebene Zerstäubungsvor
richtung dahingehend zu verbessern, daß man bei geringem
Flüssigkeitsdurchsatz mit relativ wenig Treibgas und ent
sprechend geringerem Energieaufwand auskommt. Die erfin
dungsgemäße Zerstäubungsvgrrichtung soll also gleicher
maßen wirtschaftlich für den Vollast- wie auch für den
Teillastbetrieb geeignet sein.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß
die Größe des Auströmquerschnittes hinter der Mischkam
mer verstellbar ist.
Es hat sich gezeigt, daß eine im Teillastbetrieb vorge
nommene Querschnittsverringerung keine nachteilige Wir
kung auf das Zwei-Phasen-Gemisch hat und insbesondere
das vorgeschriebene Erreichen der charakteristischen
Schallgeschwindigkeit der Mischung nicht erschwert. Auf
die Gasströmung hat die Querschnittsverringerung dagegen
den erwünschten Drosseleffekt, so daß der Gasverbrauch
drastisch reduziert wird.
Die Erfindung geht also von der Erkenntnis aus, daß die
Flüssigkeitsmenge extern über ein Ventil oder dergleichen
reduziert werden kann, daß es hingegen zur Reduzierung
der Gasmenge erforderlich ist, den Austrittsquerschnitt
der Düse zu verringern und das diese Verringerung der
geometrischen Verhältnisse nach wie vor die Einhaltung der
charakteristischen Schallgeschwindigkeit des Gemisches in
dem reduzierten Austrittsquerschnitt gestattet.
Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Größe des Aus
strömquerschnittes nicht nur im Stillstand der Anlage,
sondern kontinuierlich während des Betriebes verstellbar
ist. Die Düse kann dadurch ohne Betriebsunterbrechungen
an die jeweils aktuellen Verhältnisse angepaßt werden.
Diese Anpassung erfolgt zweckmäßig automatisch durch
einen Regelkreis in Abhängigkeit vom Gas- oder Flüssig
keitsdurchsatz. Dabei kann der Gas- oder Flüssigkeits
druck selbst dazu verwendet werden, um die Verstellung
des Ausströmquerschnittes herbeizuführen.
Für die konstruktive Ausbildung des Verstellprinzips bie
ten sich dem Fachmann verschiedene Möglichkeiten. Günstig
ist es, wenn die Verstellung durch einen von der Seite
der Mischkammer her in den Ausströmquerschnitt einschieb
baren Einsatz erfolgt, wobei der Einsatz hohl sein kann,
so daß er selbst als zusätzliche Mischkammer fungiert.
Zur Verstellung kann der Einsatz mit einem Steuerkolben
verbunden sein, der seinerseits vom Gas- oder Flüssig
keitsdruck beaufschlagt ist, während er andererseits
durch eine Feder belastet wird. Die Druckbeaufschlagung
des Steuerkolbens kann dabei durch Ventile, gegebenen
falls auch Reduzierventile, gesteuert werden.
Es liegt jedoch auch im Rahmen der Erfindung, daß der Aus
strömquerschnitt durch Lochscheiben, Drosseln oder Blenden
verstellbar ist.
Ebenso besteht die Möglichkeit, daß der Ausströmquerschnitt
zumindest teilweise durch radial verstellbare Umfangsflä
chen gebildet ist. Dabei kann die radiale Verstellung auch
aufgrund einer axialen Verschiebebewegung erzeugt werden.
Schließlich kann der Auströmquerschnitt auch durch radial
elastische Umfangsflächen, etwa eine gummiartige Ringmem
brane, gebildet sein.
In all diesen Fällen ist es möglich, den Ausströmquer
schnitt an die veränderlichen Durchströmmengen anzupassen.
Die Querschnittsverstellung braucht selbstverständlich
nicht immer durch den Druck der Gas- oder Flüssigkeitsströ
mung erfolgen, sondern statt dessen ist auch eine externe
Betätigung möglich, sei es durch mechanische, hydraulische
oder pneumatische Antriebe.
Sind mehrere gleichartige Mischdüsen in einem gemeinsamen
Düsenkopf untergebracht, so empfiehlt es sich, daß sie an
eine gemeinsame Flüssigkeits- und Gaszuleitung angeschlos
sen sind, wogegen der zur Querschnittsverstellung dienende
Druck jeder einzelnen Düse gemeinsam oder separat zuführbar ist. Dadurch
können die einzelnen Düsen gestaffelt und unabhängig von
einander umgeschaltet werden. Desweiteren bietet sich die
vorteilhafte Möglichkeit, die Düsen auf unterschiedliche
Umschaltpunkte auszulegen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich
aus der nachfolgenden Beschreibung von drei Ausführungs
beispielen anhand der Zeichnung; dabei zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungs
gemäße Düsen-Bauform mit der zugehörigen
Schaltung;
Fig. 2 die Kombination zweier Düsen gemäß An
spruch 1;
Fig. 3 eine alternative Düsen-Bauform.
Die Fig. 1 und 2 zeigen Düsen, die wie folgt aufgebaut sind:
Ein zylindrisches Gehäuse 1 weist an seinem einen Ende eine Düsenöffnung 2 mit einem Durchmesser D 1 auf. Diese Öffnung erweitert sich axial nach innen zu einer Mischkammer 3, in die das eine Medium, im Ausfüh rungsbeispiel Druckluft über einen Anschluß 4 zugeführt werden kann. Um die Verteilung der Druckluft zu verbes sern, ist die Mischkammer 3 von einem zylindrischen Lochblech 5 umgeben, daß mit radialem Abstand zu dem zylindrischen Gehäuse 1 angeordnet ist.
Ein zylindrisches Gehäuse 1 weist an seinem einen Ende eine Düsenöffnung 2 mit einem Durchmesser D 1 auf. Diese Öffnung erweitert sich axial nach innen zu einer Mischkammer 3, in die das eine Medium, im Ausfüh rungsbeispiel Druckluft über einen Anschluß 4 zugeführt werden kann. Um die Verteilung der Druckluft zu verbes sern, ist die Mischkammer 3 von einem zylindrischen Lochblech 5 umgeben, daß mit radialem Abstand zu dem zylindrischen Gehäuse 1 angeordnet ist.
Der rechte Abschluß der Mischkammer 3 wird durch eine
Querwand 6 gebildet, die eine zentrale Öffnung aufweist,
in welcher ein zylindrischer Einsatz 7 axial verschieb
bar geführt ist. Dieser Einsatz weist an seinem linken,
in die Mischkammer 3 hineinragenden Ende eine Austritts
düse 8 auf. Ihre Austrittsöffnung mit dem Durchmesser
D 2 ist kleiner als die Austrittsöffnung 2, wohingegen
der Außendurchmesser der Düse 8 etwa den Durchmesser
D 1 aufweist.
An seinem anderen Ende, das bei der in Fig. 1 darge
stellten Position außerhalb der Mischkammer 3 liegt,
erweitert sich der Einsatz 7 zu einer zweiten Misch
kammer 9. An diese Mischkammer 9 schließt sich nach
rechts eine stangenförmige Verlängerung 10 mit einem
Steuerkolben 11 an.Während der Steuerkolben 11 in
dem zylindrischen Gehäuse 1 verschiebbar geführt ist,
durchquert die Stange 10 eine im Gehäuse 1 festgelegte
Ringscheibe 12, die zugleich die rechte Begrenzung
eines zwischen der Ringkammer 9 und dem Gehäuse 1 ge
bildeten Ringraumes 13 darstellt. In diesen Ringraum
13 wird über einen Anschluß 14 das andere Medium, im
Ausführungsbeispiel Wasser zugeführt.
Auf ihrer anderen Seite dient die Ringscheibe 12 zur
Abstützung einer Druckfeder 15, die bestrebt ist, den
Einsatz 7 in die gezeichnete Position zu verschieben.
Diese Position ist für den Vollastbetrieb der Düse be
stimmt.
Die Funktion ist folgende: Durch die Anschlüsse 4 und
14 wird Druckluft bzw. Wasser zugeführt. In der ge
zeichneten Stellung des Einsatzes 7 kommt es erst im
Mischraum 3 zur Vermischung beider Phasen. Die Zuström
geschwindigkeiten und Volumenströme sind so gewählt,
daß die Ausströmgeschwindigkeit des Zwei-Phasen-Ge
misches am Austrittsquerschnitt 2 gleich der charak
teristischen Schallgeschwindigkeit des Gemisches ist.
Wird aufgrund geringeren Flüssigkeitsbedarfes die Was
serzufuhr gedrosselt, so erhöht sich automatisch der
Luftdurchsatz, wohingegen vom Mischungsverhältnis her
betrachtet eine Reduzierung der Luftzufuhr erforder
lich wäre.
Zur Einhaltung des gewünschten Mischungsverhältnisses
wird der Einsatz 7 entgegen der auf ihn einwirkenden
Federkraft nach links verschoben, bis die Düse 8 den
Mischraum 3 vollständig durchquert hat und den Aus
trittsquerschnitt 2 ausfüllt, zweckmäßig vorn bündig
mit ihm fluchtet. Die Mischkammer 3 wird dann ersetzt
durch die Mischkammer 9 und der Austrittsquerschnitt
reduziert sich auf den Durchmesser D 2. Durch diese
Querschnittsverringerung und durch die Drosselwirkung
der Radialbohrungen im Einsatz 7 wird der Luftdurch
satz derart gedrosselt, daß er dem verringertem Wasser
durchsatz wieder entspricht.
Die Verstellung des Einsatzes 7 erfolgt im Ausführungs
beispiel pneumatisch durch die Druckluft selbst. Zu
diesem Zweck ist der zwischen dem Steuerkolben 11 und
dem Gehäuse 1 gebildete Zylinderraum 16 über einen An
schluß 17 und ein Magnetventil 18 mit der Druckluft
quelle verbunden. Wird das Magnetventil 18 geöffnet, so
bewirkt der Druck aus dem Druckluftnetz die zuvor be
schriebene Umschaltung der Düse auf Teillastbetrieb.
Soll die Düse wieder auf Vollastbetrieb umgeschaltet
werden, so wird das Ventil 18 geschlossen und der Zy
linderraum 16 entweder mit der Atmosphäre verbunden
oder, wenn es sich bei dem Druckmedium nicht um ein
in die Atmosphäre zu entlassentes Gas, sondern bei
spielsweise Helium oder Wasserstoff handelt, so wird
das im Zylinderraum 16 befindliche Gas wieder in den
Gaskreislauf zurückgeführt. Im Ausführungsbeispiel
erfolgt dies über eine zusätzliche Leitung mit einem
Magnetventil 19, die hinter einem Druckminderer 20
in die Gaszuführleitung mündet.
Fig. 2 zeigt die Kombination mehrerer Düsen unter
Verwendung gemeinsamer Zuführkanäle für die zu ver
mischenden Komponenten und das Steuermedium. Wie man
sieht, sind hier zwei Düsen 21 und 22 über eine
äußere, ringförmige Leitung 23 an das Druckluftnetz,
über eine innere Ringleitung 24 an die Flüssigkeits
quelle und über eine zentrale Leitung 26 an das
Steuermedium angeschlossen.
Sollen die beiden Düsen - selbstverständlich können in
der Praxis mehrere Düsen miteinander kombiniert sein -
getrennt verstellt werden, so braucht lediglich die
zentrale Leitung 26 entsprechend unterteilt werden, wie
dies durch die gestrichelte Zwischenwand 26 a angedeu
tet ist. Durch eine derartige stufenweise Umschaltung
der Düsen läßt sich bei Verwendung zahlreicher Düsen
eine quasi kontinuirliche Anpassung der Durchsatzmengen
an den jeweiligen Bedarf erzielen.
Fig. 3 zeigt das Prinzip einer anderen Düsen-Bauform.
Dabei wird mit der herkömmlichen Mischkammer gearbei
tet, weshalb sie in Zeichnung nicht weiter dargestellt
ist. Der Austrittsquerschnitt ist hier jedoch nicht
durch eine starre Bohrung, sondern durch einen elasti
schen Gummiring 30 gebildet. Dieser Gummiring weist
zur Mischkammer hin ein konisch abgestuftes Profil auf,
während er nach außen unter Bildung einer scharfen Kan
te einen Austrittsquerschnitt 31 definiert. Von dort
läuft der Gummiring 30 radial nach außen, so daß ein
nach außen offenes Hohlprofil entsteht. Die dem Misch
raum zugewandte Flanke 30 a dieses Hohlprofiles ist am
Düsengehäuse 32 festgelegt, wohingegen die gegenüber
liegende Außenflanke 30 b vor allem in Radialrichtung
beweglich ist.
Im Inneren des Hohlprofiles befindet sich ein elasti
scher Schlauchring 33. Durch entsprechende Druckbeauf
schlagung dieses Schlauchringes wird der die Abström
öffnung 31 definierende Gummiring mehr oder weniger
stark zusammengeschnürt. Bei Druckentlastung dehnt er
sich aufgrund seiner Eigenelastizität wieder in die Aus
gangsstellung.
Auf diese Weise ist eine stufenlose Verstellung des Aus
strömquerschnittes und somit eine optimale Anpassung an
die jeweiligen Strömungsverhältnisse möglich.
Die zeichnerisch dargestellte Zerstäubungs- bzw. Zertei
lungseinrichtung dient nur zur Veranschaulichung des
Prinzips. Je nach den konstruktiven und verfahrensmäßi
gen Forderungen kann die Zerstäubungsdüse auch anders
ausgelegt und konstruiert werden. Insbesondere ist es
möglich, am Ende der Mischkammer divergente Rohrstrecken
anzubauen.
Claims (17)
1. Vorrichtung zur Zerstäubung von Flüssigkeit mit
Hilfe von Gas oder für die Zerteilung von Gas in
kleine Blasen mit Hilfe von Flüssigkeit, wobei das
Gas und die Flüssigkeit in einer Mischkammer (3)
zu einem Zwei-Phasen-Gemisch zusammengeführt und
vermischt werden und die Zuströmgeschwindigkeiten
und die Volumenströme der einzelnen Phasen unter
Berücksichtigung der Zustandsgrößen des sich daraus
ergebenden Zwei-Phasen-Gemisches im Hinblick auf
den Ausströmquerschnitt der Mischkammer (3, 9) so
gewählt sind, daß die Ausströmgeschwindigkeit des
Gemisches etwa gleich der charakteristischen Schall
geschwindigkeit des Zwei-Phasen-Gemisches ist und
das Zwei-Phasen-Gemisch die Mischkammer (3, 9) mit
einer sprunghaften Druckerniedrigung verläßt,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Größe des Ausströmquerschnittes (2) verstell
bar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Größe des Ausströmquerschnittes (2) während
des Betriebes verstellbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Verstellung des Ausströmquerschnittes (2)
automatisch in Abhängigkeit vom Gas- oder Flüssig
keitsdurchsatz erfolgt.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Verstellung durch den Gas- oder Flüssigkeits
druck selbst erfolgt.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Verstellung des Ausströmquerschnittes (2) durch
einen in den Ausströmquerschnitt einschiebbaren Einsatz
(7) erfolgt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Einsatz (7) von der Seite der Mischkammer (3)
in den Ausströmquerschnitt (2) einschiebbar ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Einsatz (7) hohl ist und durch Radialbohrungen
als zusätzliche Mischkammer (9) fungiert.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5-7,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Einsatz (7) mit einem Steuerkolben (11)
verbunden ist, der seinerseits vom Gas- oder
Flüssigkeitsdruck beaufschlagt ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Druckbeaufschlagung des Steuerkolbens (11)
durch Ventile (18, 19) steuerbar ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Steuerkolben andererseits durch eine Feder
(15) beaufschlagt ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Ausströmquerschnitt (2) durch Lochscheiben,
Drosseln oder Blenden verstellbar ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Ausströmquerschnitt (2) zumindest teil
weise durch radial verstellbar Umfangsflächen
gebildet ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Ausströmquerschnitt (31) zumindest teil
weise durch radial elastische Umfangsflächen (30)
gebildet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß die radial elastischen Umfangsflächen (30)
mit einem elastischen, druckbeaufschlagbaren
Schlauchring (33) kombiniert sind.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei mehrere gleichartige Vorrichtungen (21, 22) in
einem gemeinsamen Düsenkopf untergebracht sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß sie auf gleiche oder unterschiedliche Umschaltpunkte ausgelegt
sind.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß mehrere Vorrichtungen (21, 22) eine gemeinsame
Flüssigkeits- und Gaszuleitung (23, 24) aufweisen.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16,
dadurch gekennzeichnet,
daß der zur Verstellung dienende Gas- oder Flüssig
keitsdruck den Vorrichtungen (21, 22) in getrennten
Leitungen zuführbar ist.
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