DE4427252A1 - Sprühdüse zur Erzeugung eines kegelförmigen Strahls - Google Patents

Description

Auf fast allen Gebieten der Verfahrenstechnik, bei­ spielsweise bei der Rauchgasentschwefelung, bei der Müll­ verbrennung, in der Nahrungsmittelindustrie und in der pharmazeutischen Industrie werden die verschiedensten Flüssigkeiten in einen Luft-, Dampf- oder Gasstrom einge­ sprüht, um einen großflächigen Kontakt der sich ausbildenden Flüssigkeitströpfchen und einer gasförmigen Atmosphäre herbeizuführen. Die Flüssigkeit wird dabei durch Versprühen in Tröpfchen aufgelöst. Bei der Flüssig­ keit kann es sich sowohl um eine reine Flüssigkeit, eine Lösung oder auch um eine Aufschwemmung handeln, wie es beispielsweise beim Einsprühen von Kalkmilch in zu ent­ schwefelndes Rauchgas der Fall ist.

Zum Versprühen der Flüssigkeit dienen Sprühdüsen die als Sprühbild vorzugsweise einen Hohlkegel ausbilden. Sol­ che Sprühdüsen werden Hohlkegel- oder Tangentialdüsen ge­ nannt. Deren sich auf einer quer zu dem Strahl angeordne­ ten Fläche ausbildendes Spritzbild ist eine ringförmige Aufprallfläche von kleinen bis mittelgroßen Tropfen.

Insbesondere beim Versprühen von Aufschwemmungen, d. h. festkörperhaltigen Flüssigkeiten, wie beispielsweise Kalkmilch o.a., besteht die Gefahr, daß die verwendeten Hohlkegel-Sprühdüsen sich nach längerem Betrieb allmählich zusetzen und verstopfen. Außerdem können sich in größeren Anlagen in der Nähe der Sprühdüsen Ablagerungen bilden, die von Zeit zu Zeit entfernt werden müssen. Solche Abla­ gerungen können sich jedoch auch während des Betriebs der Anlage von allein lösen und durch ihr Eigengewicht herun­ terfallen. Davon geht eine Gefahr für die Sprühdüsen aus, die unter Umständen durch herabfallende Ablagerungen ge­ troffen und beschädigt werden können. Außerdem können sich Ablagerungen in dem Rohrleitungssystem bilden oder dort hinein gelangen, die , wenn sie sich lösen, die Düsen an ihrem engsten Querschnitt verstopfen.

Aus der Praxis sind für Zerstäubungsaufgaben in der Technik vielfältig eingesetzte, einen Hohlkegel erzeugende Spritzdüsen bekannt, die einen Düsenkörper aufweisen, der einen etwa zylinder- oder birnenförmigen, bei seinem Hals in eine Mündungsöffnung übergehenden Drallraum umschließt. Der Drallraum steht über eine Einlaßöffnung mit einem Zu­ leitungskanal in Verbindung, der etwa tangential in einen Bereich des birnenförmigen Drallraumes mit größerem Quer­ schnitt mündet. Die Einlaßöffnung steht dabei im rechten Winkel zu der Mündungsöffnung. Die durch die Einlaßöffnung einströmende Flüssigkeit erhält durch deren tangentiale Anordnung eine drehende Bewegungskomponente und tritt aus der Mündungsöffnung mit Drall aus. Durch die auf die sich ausbildenden Flüssigkeitströpfchen wirkende Fliehkraft entsteht ein Strahl in Hohlkegelform.

Diese Bauform von Hohlkegel-Sprühdüsen erfordert eine tangentiale Flüssigkeitszuführung, die bei hängender, d. h. nach unten spritzender Hohlkegel-Sprühdüse, durch ein ho­ rizontales Rohrstück gebildet wird. Gerade bei den in der Verfahrenstechnik vorkommenden größeren Sprühdüsen sind solche mit einer waagerechten Zuführung versehene Hohlke­ gel-Sprühdüsen jedoch gefährdet. Beispielsweise können solche Hohlkegel-Sprühdüsen von herabfallenden Ablagerun­ gen getroffen werden, wobei die von dem horizontalen Rohr­ stück gebildete Halterung sich verbiegt oder abbricht. Diese Gefahr ist umso größer als in manchen Anlagen bis zu mehreren hundert solcher relativ groß ausgebildeter Hohl­ kegel-Sprühdüsen mit einem jeweiligen Eigengewicht von bis zu über 10 Kilogramm vorgesehen sind.

Darüber hinaus sind aus der Praxis sogenannte Spiral­ düsen bekannt, die an ihrer Ausströmöffnung mit einen spi­ ralförmigen Prall- und Leitkörper versehen sind. Dieser erstreckt sich, ausgehend von der im wesentlichen kreis­ runden Mündungsöffnung, in axialer Verlängerung von dieser weg, wobei er korkenzieherartig nach Art einer sich veren­ genden Wendel ausgebildet ist. Die Mündungsöffnung wird von einem sich gerade durch den Düsenkörper erstreckenden Kanal gespeist.

An dem Leit- und Prallkörper können sich Ablagerungen bilden, die das Sprühbild verändern und regelmäßig ent­ fernt werden müssen. Außerdem ist das Sprühbild sehr stark von der genauen Geometrie des Leit- und Prallkörpers ab­ hängig, so daß diese Düsen in ihrem Sprühergebnis relativ stark streuen. Wird diese Spiraldüse aus einem keramischen Material hergestellt, ist der Prall- und Leitkörper außer­ dem bruchgefährdet.

Schließlich sind aus der Praxis sogenannten Vollke­ gel-Sprühdüsen bekannt, die einen etwa hohlzylindrischen Düsenkörper aufweisen, an dessen einer Stirnfläche eine Einlaßöffnung und an dessen anderer Stirnfläche eine Mun­ dungsöffnung vorgesehen sind. In ihrem Innenraum ist ein nach Art einer zweigängigen Schraube größerer Steigung ausgebildeter Leitkörper angeordnet, der das Fluid entlang der inneren Mantelfläche des Hohlzylinders führt. Wenn dieser Düsenkörper von einer Flüssigkeit axial durchströmt wird, erteilen die Leitkörper dem Flüssigkeitsstrom einen Drall, der nach Austreten der Flüssigkeit aus dem Strahl zur Ausbildung eines Vollkegels führt. Das Spritzbild, d. h. der Querschnitt durch den Sprühkegel, ist dabei eine Kreisfläche.

Der freie Strömungsquerschnitt wird durch den im In­ neren des Düsenkörpers sitzenden Leitkörper verengt. Dies bedingt einen Druckabfall und Verstopfungsgefahr.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine robuste Sprühdüse zur Erzeugung eines in seiner Außenkon­ tur kegelförmigen Strahles zu schaffen, die eine geringe Verstopfungsanfälligkeit aufweist.

Diese Aufgabe wird durch eine Sprühdüse mit den Merk­ malen des Patentanspruches 1 gelöst.

Bei den Düsenkörper liegen sich die Einlaßöffnung und die Mündungsöffnung gegenüber, so daß eine solche Sprühdüse, einen, bezogen auf die Mündungsöffnung, axialen Roh­ ranschluß aufweist. Bei hängender Montage, d. h. wenn die Sprühdüse nach unten sprühen soll, ist die von dem Rohr­ stück getragene Sprühdüse kaum durch herab fallende Ablage­ rungen gefährdet.

Der Hauptvorteil dieser Hohlkegel-Sprühdüse liegt darin, daß sie mit großen freien Strömungsquerschnitten gebaut werden kann und nicht verstopfungsanfällig ist.

Der in dem Innenraum angeordnete Drallkörper erteilt der durchströmenden Flüssigkeit einen Drehimpuls, d. h. eine starke Bewegungskomponente in Unfangsrichtung, ohne den Strömungsquerschnitt zu verengen. Dies wird erreicht, indem die Ausströmöffnungen an dem Drallkörper seitlich angeordnet sind. Diese können demzufolge sehr groß ausge­ legt werden. Die Verstopfungsgefahr ist dadurch minimiert. Außerdem hat sich herausgestellt, daß sich in einer sol­ chen Sprühdüse kaum Ablagerungen bilden. Sollten dennoch geringfügige Ablagerungen entstehen, beeinflussen diese das Sprühbild nicht. Die an der Mündungsöffnung vorhande­ nen Bewegungskomponenten des austretenden Flüssigkeits­ strahls, d. h. seine Strömungsgeschwindigkeit und sein Drall, werden von kleineren Ablagerungen im Bereiche des Drallkörpers nicht merklich beeinflußt.

Die Sprühdüse weist eine glatte Außenkontur auf, die bei einer Reinigung der betreffenden Anlage, in der die Sprühdüse eingebaut ist, unempfindlich gegen Beschädigun­ gen ist. Auch wenn die Sprühdüse aus einem spröden Mate­ rial wie Keramik od. dgl. hergestellt ist, besteht kaum die Gefahr, daß Teile abbrechen können.

Die Einlaßöffnung und die Mündungsöffnung können ko­ axial zueinander angeordnet sein, wobei der Düsenkörper vorteilhafterweise rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Es ergibt sich dann als Sprühbild ein Kreiskegel oder ein hohler Kreiskegel.

Eine einfache konstruktive Ausbildung wird erhalten, wenn der Drallkörper direkt an der Einlaßöffnung an­ geordnet ist. Er kann dabei koaxial zu der Einlaßöffnung sowie koaxial zu der Mündungsöffnung liegen. Damit ergibt sich eine gleichmäßige Durchströmung des Innenraumes der Sprühdüse, so daß die Gefahr der Ausbildung von Ablagerun­ gen minimiert ist.

Sowohl die Einlaßöffnung als auch die Mündungsöffnung können kreisrund sein, wobei als Sprühbild entsprechend ein Kreiskegel oder ein hohler Kreiskegel entstehen.

Obwohl es prinzipiell genügen würde, wenn der Drall­ körper eine einzige seitliche Ausströmöffnung aufweist, ist es doch vorteilhaft, wenn er mit zwei oder vorzugswei­ se drei an seinem Umfang gleichmäßig voneinander beabstan­ deten Ausströmöffnungen versehen ist. Diese führen im Ge­ gensatz zu einer Ausführungsform mit einer einzigen Aus­ strömöffnung zu einer gleichmäßigen Durchströmung des In­ nenraumes der Sprühdüse.

Es ist vorteilhaft, wenn die Ausströmöffnungen insge­ samt einen freien Strömungsquerschnitt aufweisen, der grö­ ßer ist als der Strömungsquerschnitt der Einlaßöffnung. Dies minimiert die Verstopfungsgefahr.

Die Ausströmöffnungen können sich, bezogen auf die Einströmrichtung, in einer Richtung öffnen, die sowohl eine Radial- als auch eine Umfangskomponente aufweist. Dadurch wird die Innenwand des Innenraumes direkt ange­ strömt und die Ausbildung von unter Druck führenden Berei­ chen, die zur Blasenbildung führen könnten, wird ver­ mieden. Jedoch ist es vorteilhaft, wenn die Umfangskom­ ponente größer ist als die Radialkomponente. Dies ergibt einen starken Drall in der Flüssigkeit.

Ein nach außen hin zunehmender rechteckiger Quer­ schnitt der Ausströmöffnung bewirkt eine gleichmäßige Aus­ strömung der Flüssigkeit aus dem Drallkörper.

Wenn an dem Drallkörper wenigstens eine Leitfläche vorgesehen ist, die das den Drallkörper durchströmende Fluid auf dem Weg von der Einströmöffnung zu der Ausstrom­ öffnung auf einer Spiralbahn bezüglich der Einströmrich­ tung führt, wird am Umfange des Drallkörpers eine gleich­ mäßige Kreisströmung erreicht. Diese gleichmäßige Kreis­ strömung vermeidet Ablagerungen. Die Leitfläche kann dabei vorteilhafterweise auf einem Spiralbogen liegen, der an die Einströmöffnung ausschließt. Die Spiralform dieser Leitfläche bewirkt ein gleichmäßiges Beschleunigen des den Drallkörper durchströmenden Fluids, so daß sich ein gleichmäßiger Druckverlauf in der Flüssigkeit einstellt.

Der Drallkörper kann prinzipiell kegelförmige kegel­ stumpfförmig oder auch tropfenförmig sein, jedoch hat es sich als vorteilhaft erwiesen, einen in einer Außenkontur zylinderförmigen Drallkörper vorzusehen, an dessen Boden die Einströmöffnung und an dessen Mantelfläche die wenig­ stens eine Ausströmöffnung angeordnet ist. Dies führt auch bei der aufgrund des relativ großen freien Strömungsquer­ schnittes relativ langsamen Umfangsströmung zu einer guten Drallbildung.

Konstruktiv kann der Drallkörper mit feststehenden, die Leitflächen tragenden Schaufeln versehen sein, die zwischen einem scheibenförmigen Drallkörperboden und einer ebenfalls scheibenförmigen Umlenkplatte angeordnet sind. Dabei definieren die Schaufeln zwischen einander mehrere Ausströmöffnungen. Die Schaufeln stützen das Reak­ tionsmoment, das entsteht, wenn dem Fluidstrom ein Drehim­ puls mitgeteilt wird, an dem Drallkörperboden ab. An ihrer der Einströmöffnung gegenüberliegenden Seite sind die Schaufeln mit der Umlenkplatte verbunden, die den Schau­ feln zusätzlichen Halt gibt und die ihrerseits von den Schaufeln getragen ist. Strömungsmäßig wirkt die Um­ lenkplatte auf den rechtwinklig zu dieser einströmenden Fluidstrom in der Art einer Prallplatte, so daß die axiale Bewegungskomponente des Fluids zunächst in eine Radialkom­ ponente umgewandelt wird. Die zwischeneinander mehrere Ausströmöffnungen definierenden Schaufeln lenken das Fluid von seiner anfänglichen Radialbahn auf eine Bahn mit einer großen Umfangskomponente.

Die Schaufeln können an der Einströmöffnung ab­ geschrägt sein, was eine verbesserte Anströmung und einen gleichmäßigeren Strömungsverlauf im Querschnitt des Drall­ körpers ergibt.

Die Wirkung der Umlenkplatte wird verbessert, wenn an der der Einströmöffnung gegenüberliegenden Stelle ein Strömungskörper vorgesehen ist, der das ankommenden Fluid teilt und radial nach außen umleitet. Die Strömung kann dabei weitgehend laminar gehalten werden. Der Strömungs­ körper kann sowohl ein kreiskegel- als auch ein strom­ linienförmig geformter Körper sein.

Der beispielsweise aus Keramik herstellbare Drallkör­ per ist vorzugsweise einstückig ausgebildet, wodurch die­ ser besonders stabil wird.

Wenn der Innenraum des Düsenkörpers an allen Stellen einen freien Strömungsquerschnitt aufweist, der größer ist als die Strömungsquerschnitte der Einlaßöffnung und der Mündungsöffnung, ist die Strömungsgeschwindigkeit inner­ halb der Sprühdüse im Vergleich zu der Strömungsgeschwin­ digkeit an der Mündungsöffnung gering. Jedoch nimmt aufgrund des sich verengenden Querschnittes die Drehzahl des um die Längsmittelachse der Sprühdüse rotierenden Fluids zu der Mündungsöffnung hin stetig zu. Damit wird auch bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten im Bereiche des Drallkörpers eine starke Drallwirkung an der Mün­ dungsöffnung erreicht. Durch Reibung entstehende Druckver­ luste werden wegen der geringen Strömungsgeschwindigkeiten in der Hohlkegel-Sprühdüse minimiert.

Wenn der Düsenkörper in seinem Innenraum keine scharfen Kanten aufweist, kann die Strömung weitgehend laminar gehalten werden und es kann die Ausbildung von Unterdruckbereichen, in denen Blasen entstehen und Kavita­ tionen auftreten können, vermieden werden.

Auch der Düsenkörper kann aus Keramik gefertigt wer­ den, das insbesondere vorteilhaft ist, wenn Aufschwemmun­ gen, wie Kalkmilch, versprüht werden sollen.

Die Sprühdüse kann vorzugsweise zur Erzeugung von hohlkegelförmigen Strahlen angewendet werden.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Gegen­ standes der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Sprühdüse zur Erzeugung eines hohl­ kegelförmigen Strahls in perspektivischer Explosions­ darstellung und in verkleinertem Maßstab,

Fig. 2 die Sprühdüse nach Fig. 1 in einem ande­ ren Maßstab und in längsgeschnittener Darstellung,

Fig. 3 die Sprühdüse nach Fig. I, geschnitten entlang der Linie III-III der Fig. 2,

Fig. 4 eine Sprühdüse in einer weiteren Ausfüh­ rungsform und in längsgeschnittener Darstellung sowie in verkleinertem Maßstab,

Fig. 5 eine Sprühdüse in einer weiteren Ausfüh­ rungsform und in längsgeschnittener schematisierter Darstellung sowie in verkleinertem Maßstab und

Fig. 6 die Sprühdüse nach Fig. 5, geschnitten entlang der Linie VI-VI, in schematischer Darstel­ lung.

In Fig. 1 ist eine Hohlkegel-Sprühdüse 1 mit einem zweiteiligen Düsenkörper 2 dargestellt, der einen größeren Innenraum 3 umschließt. Der Düsenkörper 2 ist rotations­ symmetrisch zu einer Längsmittelachse 4 ausgebildet, die in Fig. 1 von oben nach unten verläuft.

Der Düsenkörper 2 ist in ein Sockelteil 5 und ein Mündungsteil 6 unterteilt. Das Sockelteil 5 und das Mün­ dungsteil 6 stoßen jeweils bei einer planen, den Innenraum 3 umgebenden Ringfläche 7, 8 aneinander, die in einer or­ thogonal zu der Mittelachse 4 liegenden Ebene liegen. Die Ringflächen 7, 8 dienen als Dichtungsflächen und können mit entsprechenden Dichtungsmitteln versehen sein.

Der von dem Sockelteil 5 und dem Mündungsteil 6 um­ schlossene Innenraum 3 ist etwa birnenförmig. Axial in dem in seiner Außenkontor zylinderförmigen Sockelteil 5 ist eine im Querschnitt kreisförmige Einlaßöffnung 11 vor­ gesehen, der eine in dem Mündungsteil 6 angeordneter, im Querschnitt ebenfalls kreisförmiger Düsenmund gegenüber­ liegt, der hier als Mündungsöffnung 12 bezeichnet wird. Sowohl die Einlaßöffnung 11 als auch die Mündungsöffnung 12 liegen konzentrisch zu der Längsmittelachse 4, so daß die von der Einlaßöffnung 11 definierte Einströmrichtung mit der Längsmittelachse 4 übereinstimmt. Der Durchmesser der Mündungsöffnung 12 ist etwas geringer als der Durch­ messer der Einlaßöffnung 11. Im konkreten Falle weisen die Mündungsöffnung 12 einen Durchmesser von 45 mm und die Einlaßöffnung 11 einen Durchmesser von 58 mm auf. Der Durchmesser des Innenraumes 3 liegt demgegenüber bei 160 mm, wobei die genannten Abmessungen je nach Anwendungsfall und vor allem dem gewünschten Flüssigkeitsdurchsatz auch größer oder kleiner gewählt werden können.

Direkt an der Einlaßöffnung 11 ist ein Drallkörper 13 angeordnet, der in seiner Außenkontur etwa zylinderförmig ist. Der Drallkörper liegt konzentrisch zu der Längsmit­ telachse und weist einen scheibenformigen Drallkörperboden 14 auf in dem mittig eine Einströmöffnung 15 vorgesehen ist. An dem Drallkörperboden 14 sind insgesamt drei, je­ weils um 120° voneinander beabstandete Schaufeln 16 befe­ stigt, die sich, ausgehend von der Einströmöffnung 15, mit jeweils übereinstimmender Krümmung im Bogen nach außen erstrecken. Dabei ist jede Schaufel 16 an ihrem bei der Einströmöffnung 15 liegenden Anfang im spitzen Winkel ge­ gen die Radiale geneigt. An ihrem außenliegenden Ende steht jede Schaufel 16 etwa in Umfangsrichtung. Dadurch weist die Schaufel 16 eine konkav gekrümmte Leitfläche 17 auf, die der Führung eines Flüssigkeitsstromes dient.

Die Schaufel 16 und damit die Leitfläche 17 sind par­ allel zu der Längsmittelachse 4 orientiert. An ihrem je­ weiligen, von dem Drallkörperboden 14 abliegenden Ende tragen die Schaufeln 16 eine im Umriß kreisförmige Um­ lenkplatte 19, die parallel zu dem Drallkörperboden 14 angeordnet ist.

Die Umlenkplatte 19 weist einen zu der Einströmöff­ nung 15 hin vorstehenden Strömungskegel 21, der konzen­ trisch zu der Längsmittelachse 4 liegt, sowie eine an ih­ rem Rand umlaufende Ringwulst auf. Der Strömungskegel 21 weist dabei einen Fußkreisdurchmesser auf, der geringer ist als der Durchmesser der Einströmöffnung 15. Die bei dem Drallkörperboden 14 unmittelbar an der Einströmöffnung 15 beginnenden Schaufeln 16 enden an ihren mit der Umlenk­ platte 19 in Verbindung stehenden Ende bei dem Strömungs­ kegel 21. Zwischen beiden jeweiligen Endpunkten ist die Schaufel 16 abgeschrägt, so daß sie von der Einströmöff­ nung 15 aus gesehen, in den Bereich der auf die Umlenk­ platte 19 projizierten Einströmöffnung 15 eintritt.

Der Drallkörperboden 14 und die Umlenkplatte 19 sowie paarweise jeweils zwei Schaufeln 16 begrenzen jeweils eine im Querschnitt rechteckige Ausströmöffnung 22, deren Öff­ nungsrichtung in einer orthogonal zu der Längsmittelachse stehenden Ebene liegt, wobei diese Öffnungsrichtung jedoch gegen die Radiale geneigt ist, was bedeutet, daß sie so­ wohl eine Umfangs- als auch eine Radialkomponente auf­ weist. Dabei ist die Umfangskomponente größer als die Ra­ dialkomponente.

Dem Drallkörperboden 14 des Drallkörpers 13 ist in dem Sockelteil 5 eine die Einlaßöffnung 11 umgebende ring­ förmige Ausnehmung 24 zugeordnet. Diese Ausnehmung 24 stimmt mit dem Durchmesser und der Dicke des Drallkörper­ bodens 14 überein, so daß der Drallkörper 13 in diese Aus­ nehmung 24 eingesetzt werden kann. Dabei schließen die Einlaßöffnung 11 und die Einströmöffnung 15 glatt aneinan­ der an, so daß ein ungehinderter Flüssigkeitsübergang von der Einlaßöffnung 11 zu der Einströmöffnung 15 ermöglicht wird.

Die Einströmöffnung 15 kann ebenfalls zur Verbes­ serung der Strömungsverhältnisse zu den Schaufeln 16 hin abgerundet sein, was bedeutet, daß sie sich entlang der Längsmittelachse 4 zunehmend vergrößert. Der Drallkörper 13 ist in der Ausnehmung 24 mittels nicht weiter darge­ stellter Schrauben befestigt, die den Sockelteil 15 bei Bohrungen 26 durchgreifen und in entsprechende, in dem Drallkörperboden 14 vorgesehene Gewindebohrungen 27 einge­ schraubt sind.

An die Ausnehmung 24 des Sockelteils schließt sich außen eine schalenförmig gekrümmte Leitfläche 28 an, die bis zu der Ringfläche 7 reicht. Die Leitfläche 28 ist dabei entlang ihres Umfanges gleichmäßig konkav gekrümmt, und zwar derart, daß ihr bei der Ausnehmung 24 liegender Rand an seinem gesamten Umfang eine rechtwinklig zu der Mittelachse 4 liegende Tangente aufweist. Demgegenüber weist der an die Ringfläche 7 grenzende Rand auf seinem gesamten Umfang eine parallel zu der Längsmittelachse 4 liegende Tangente auf.

An die Leitfläche 28 schließt eine in dem Mun­ dungsteil 6 vorgesehene, in Fig. 1 nicht sichtbare weitere Leitfläche an, die sich im wesentlichen kegelförmig zu einem Halsstück 31 verjüngt, das die Mündungsöffnung 12 trägt. Ausgehend von dem Halsstück 31 erweitert sich die Mündungsöffnung 12, d. h. ihr Durchmesser nimmt zu.

In einigen Fällen, insbesondere bei Spritzwinkeln von 80° bis 90° kann auf die Erweiterung der Mündungsöffnung 12 verzichtet werden.

Die insoweit beschriebene Hohlkegel-Sprühdüse 1 ar­ beitet wie folgt:

Ein durch die Einlaßöffnung 11 in den Düsenkörper 2 einströmendes Fluid weist im Bereiche der Einlaßöffnung 2 zunächst lediglich eine axiale Geschwindigkeitskomponente auf. Es durchströmt die Einströmöffnung 15 des Drallkör­ pers 13 zunächst noch in axialer Richtung, wobei der Strö­ mungskegel 21 das Fluid nach außen umlenkt, so daß seine Bewegungsrichtung eine Radialkomponente bekommt. Das um­ gelenkte Fluid strömt nun an den Leitflächen 17 der Schau­ fel 16 entlang, wobei es zunehmend in Umfangsrichtung um­ gelenkt wird. Dabei verlangsamt sich aufgrund des nach außen hin zunehmenden Strömungsquerschnitts der Ausstrom­ öffnungen 22 seine Geschwindigkeit. Wenn das Fluid an den Mündungen der Ausströmöffnungen 22 angekommen ist, verläßt es den Drallkörper im wesentlichen in Umfangsrichtung mit einer lediglich geringen Radialkomponente der Bewegung.

Somit bildet sich entlang der Leitfläche 28 eine Zirkulationsströmung in der Hohlkegel-Sprühdüse 1 aus. Das dabei an den Schaufeln 16 entstehende Reaktionsmoment wird über den Drallkörperboden 14 in den Düsenkörper 2 ab­ geleitet.

Unter Beibehaltung seiner Umfangsgeschwindigkeit wird das an der Leitfläche 28 entlangströmende Fluid nun in den Mündungsteil 6 gedrückt, dessen Innenfläche sich zu der Mündung 12 hin verjüngt. Dabei nimmt aufgrund des immer geringer werdenden Radius der sich einstellenden Strömung die Drehzahl des Fluidstrahles stark zu, so daß sie bei der Mündungsöffnung 12 ihr Maximum erreicht. Der dort unter Druck aus tretende Strahl verläßt die Mündungsöffnung 12 mit sehr starkem Drall.

Sobald das Fluid die Mündungsöffnung 12 verlassen hat, bewirkt die auf die Flüssigkeitsteilchen wirkende starke Fliehkraft ein Aufreißen des Strahles zu einzelnen Tröpfchen, die sich auf einem konzentrisch zu der Längs­ mittelachse liegenden Kegelmantel bewegen. Die Fliehkraft ist dabei so stark, daß sich ein Hohlkegel-Strahl ausbil­ det, d. h. alle Flüssigkeitströpfchen werden unter der Wir­ kung der Fliehkraft nach außen abgelenkt und fliegen nicht entlang der Längsmittelachse 4. Das Spritzbild dieser Hohlkegel-Sprühdüse 1, d. h. das Bild des auf eine orthogo­ nal zu der Längsmittelachse 4 liegenden Fläche auftreffen­ den Strahles, ist ringförmig.

Die Hohlkegel-Sprühdüse 1 weist an allen Stellen einen sehr großen Strömungsquerschnitt auf. An keiner Ste­ lle ist die Strömung behindert oder eingeengt. Deshalb neigt diese Hohlkegel-Sprühdüse 1 auch dann nicht zum Ver­ stopfen, wenn Suspensionen und Aufschwemmungen sowie im Extremfalle auch dünnflüssige Schlämme versprüht werden.

Darüber hinaus hat sich gezeigt, daß die Hohlkegel- Sprühdüse 1 relativ unempfindlich gegen Druckschwankungen ist, was bedeutet, daß sich, auch wenn die Hohlkegel- Sprühdüse 1 mit Fluid versorgt wird, dessen Druck schwankt, eine stabile Strahlform ausbildet. Der Strahl bleibt ein Hohlkegel, auch wenn der Druck seinen Mittel­ wert beträchtlich über- oder unterschreitet.

Eine etwas abgewandelte Ausführungsform der in Fig. 1 dargestellten Hohlkegel-Sprühdüse 1 ist in den Fig. 2 und 3 dargestellt, wobei, soweit Teile mit dem vorstehend be­ schriebenen Ausführungsbeispiel übereinstimmen, gleiche Bezugszeichen verwendet worden sind, die zur Unterschei­ dung ein Apostroph tragen.

Die in Fig. 2 dargestellte Hohlkegel-Sprühdüse 1′ weist einen ebenfalls zweiteiligen Düsenkörper 2′ auf, dessen Trennstelle nicht gesondert dargestellt ist. Der Düsenkörper 2′ ist dabei im Vergleich zu dem vorstehend beschriebenen Düsenkörper 2 dahingehend abgewandelt, daß die Leitfläche 28′ in Anschluß an den Drallkörper 13′ zu­ nächst einen ringförmigen planen Abschnitt 28a aufweist, der in einen stärker gekrümmten Eckbereich übergeht, an den sich wiederum eine konzentrisch um die Längsmit­ telachse 4 liegende Zylinderfläche 28b anschließt.

Zu der Mündungsöffnung 12′ hin verengt sich der Düsenkörper 2 hin mit einer Kegelfläche 33. Diese geht bei der Mündungsöffnung 12′ in einen zylinderförmigen Abschnitt 34 über, der ebenfalls konzentrisch zu der Längsmittelachse 4 liegt. An den Abschnitt 34 schließt sich eine Leitfläche 35 in der Form eines Kegelstumpfes an.

Der hier verwendete Drallkörper 13′ stimmt weitgehend mit dem vorbeschriebenen Drallkörper 13 überein. Jedoch ist seine Umlenkplatte 19′ an ihrem der Mündungsöffnung 12′ zugewandten Rand mit einer größeren umlaufenden Ring­ wulst 36 versehen, die die Strömungsverhältnisse an dem Drallkörper 131 verbessert. Ebenfalls aus der Fig. 2 ist ersichtlich, daß der Strömungskegel 21′ an seiner der Ein­ strömöffnung 15′ gegenüberliegenden Spitze etwas abgerun­ det ist.

Die Ausbildung der Schaufeln 16′ ist aus Fig. 3 er­ sichtlich, die einen Schnitt der in Fig. 2 dargestellten Sprühdüse nahe bei dem Drallkörperboden 14′ mit Blickfüh­ rung auf den Strömungskegel 21′ zeigt. Es sind insgesamt drei Schaufeln 16′ vorgesehen, deren Leitflächen 17′ kon­ kav gekrümmt sind und die mit den Schaufeln 16 nach Fig. 1 übereinstimmen. Die Schaufeln 16 sind dabei gegeneinander um jeweils 120° versetzt. In dem äußeren Randbereich der Umlenkplatte 19′ verlaufen die Schaufeln 16′ nahezu in Umfangsrichtung. An ihrem jeweils gegenüberliegenden Ende grenzen sie an den Strömungskegel 21′. Von dort ausgehend weisen sie eine schräge Anströmfläche 37 auf, die bewirkt, daß im Übergang von der Einströmöffnung 15′ zu den insgesamt drei Aus­ strömöffnungen 22′ ein großer freier Strömungsquerschnitt vorhanden ist.

In Fig. 4 ist eine abgewandelte Hohlkegel-Sprühdüse 1′′ dargestellt, die sich von den vorstehend beschriebenen dadurch unterscheidet, daß lediglich zwei Schaufeln 16′′ vorgesehen sind und daß der Düsenkörper 2′′ dreiteilig aus­ gebildet ist. Der Düsenkörper 2′′ besteht aus einem Sockel­ teil 41, einem Leitsegment 42 und einer Düsenplatte 43. Während das Sockelteil 41 im wesentlichen mit dem in Fig. 1 dargestellten Sockelteil 5 übereinstimmt, weist das Leitsegment 42 eine Öffnung auf, deren Innenfläche 44 glatt an die Leitfläche 28′′ des Sockelteils 41 anschließt. Die Innenfläche 44 geht dabei von einem torusartig ge­ wölbten Abschnitt in einen konzentrisch zu der Längsmit­ telachse 4′′ liegenden kegelstumpfförmigen Abschnitt über. Die eigentliche Mündungsöffnung 12′′ ist in der Düsenplatte 43 vorgesehen, wobei sich die Mündungsöffnung 12′′ ohne Absatz an die Innenfläche 44 anschließt.

Das Sockelteil 41, das Leitsegment 42 und die Düsen­ platte 43 sind mittels parallel zu der Längsmittelachse 4′′ angeordneter durchgehender Gewindebolzen 45 zusammengehal­ ten.

Der Vorteil dieser Ausführungsform sowie der vorste­ hend beschriebenen mehrteiligen Hohlkegel-Sprühdüsen 1 liegt darin, daß ein großes Sortiment unterschiedlicher für unterschiedliche Einsatzzwecke vorgesehener Hohlkegel- Sprühdüsen 1′′ aus einem relativ geringen Vorrat unter­ schiedlicher Sockelteile 41, 5, Leitsegmente 42 und Düsen­ platten 43 bzw. Mündungsteile 6 zusammengestellt werden kann. Beispielsweise können die Eigenschaften der Hohlkegel-Sprühdüse 1′′ durch Verwendung unterschiedlich dicker Leitsegmente 42 oder unterschiedlicher Düsenplatten 43 verändert werden.

Schließlich ist in den Fig. 5 und 6 eine weitere Hohlkegel-Sprühdüse 1′′′ dargestellt, bei der der Drall­ körper 13′′′ fest mit dem Düsenkörper 2′′′ verbunden ist. Ein gesonderter Drallkörperboden ist nicht vorhanden, son­ dern dieser wird durch einen ringförmigen, konzentrisch zu der Längsmittelachse 4′′′ liegenden Gehäuseabschnitt 47 des Düsenkörpers 2′′′ gebildet. Der Gehäuseabschnitt 47 umgibt die Einströmöffnung 15′′′, die glatt an die in ei­ nem Flansch sitzende Einlaßöffnung 11′′′ anschließt.

Ein weiterer Unterschied liegt darin, daß lediglich zwei Leitschaufeln 16′′′ vorgesehen sind, wie aus Fig. 6 hervorgeht. Die Leitschaufeln 16′′′ weisen dabei eine gleichmäßige Wandstärke auf. Die Leitflächen 17′′′ sind kreisbogenförmig konkav gewölbt und schließen tangential an den Strömungskegel 21′′′ an. Die gegeneinander um 180° versetzten Schaufeln 16′′′ liegen bei den Mündungsöffnun­ gen 22′′′ außerdem tangential zu dem Rand der Umlenkplatte 19′′′.

Die im Querschnitt rechteckigen Ausströmöffnungen 22′′′ sind dadurch ebenfalls um 180° gegeneinander versetzt und definieren die durch die Pfeile 49 angedeuteten Ausst­ römrichtungen.

Diese Hohlkegel-Sprühdüse 1′′′ weist einen besonders niedrigen Strömungswiderstand und einen großen freien Strömungsquerschnitt auf.

Alle vorstehend beschriebenen Bau formen der Hohlkegel- Sprühdüse 1, können aus Keramik hergestellt werden. Solche aus Keramik bestehenden Düsen mit axialen Anschluß sind geringeren Beschädigungen ausgesetzt, als Düsen mit radia­ lem Anschluß. Außerdem können andere Axialdüsen, bspw. die relativ empfindlichen Spiraldüsen ohne weiteres durch die beschriebenen robusten Hohlkegel-Sprühdüsen ersetzt wer­ den, ohne daß ein zusätzlicher Installationsaufwand mit teuren Rohrmaterial erforderlich ist.

Claims (30)

1. Sprühdüse (1) zur Erzeugung eines kegelförmigen Strahls,
mit einem einen Innenraum (3) umschließenden Düsen­ körper (2), der eine in den Innenraum (3) führende und eine Einströmrichtung (4) definierende Einlaßöffnung (11) und eine Mündungsöffnung (12) aufweist, die der Einlaßöff­ nung (11) gegenüberliegt und deren Ausströmrichtung mit der Einströmrichtung (4) übereinstimmt,
mit einen in dem Innenraum (3) angeordneten Drallkör­ per (13), der eine mit der Einlaßöffnung (11) in Fluidver­ bindung stehende Einströmöffnung (15) und wenigstens eine bezüglich der Einströmrichtung (4) seitlich nach außen mündende Ausströmöffnung (22) aufweist, die dem aus den Ausströmöffnungen (22) austretenden Fluid einen Drall be­ züglich der Einströmrichtung (4) erteilt.

2. Sprühdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßöffnung (11) und die Mündungsöffnung (12) koaxial zueinander angeordnet sind.

3. Sprühdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenkörper (2) bezüglich einer mit der Einström­ richtung (4) übereinstimmenden Längsmittelache (4) rota­ tionssymmetrisch ausgebildet ist.

4. Sprühdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drallkörper (13) an der Einlaßöffnung (11) an­ geordnet ist.

5. Sprühdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drallkörper (13) koaxial zu der Einlaßöffnung (11) angeordnet ist.

6. Sprühdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drallkörper (13) koaxial zu der Mündungsöffnung (12) angeordnet ist.

7. Sprühdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßöffnung (11) und die Mundungsöffnung (12) kreisrund sind.

8. Sprühdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drallkörper (13) wenigstens zwei an seinem Umfang gleichmäßig voneinander beabstandete Ausströmöffnungen (22) aufweist.

9. Sprühdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Ausströmöffnung (22) für sich einen freien Strömungsquerschnitt aufweist, der größer ist als der Strömungsquerschnitt der Einlaßöffnung (11).

10. Sprühdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ausströmöffnungen (22) insgesamt einen freien Strömungsquerschnitt aufweisen, der größer ist als der Strömungsquerschnitt der Einlaßöffnung (11).

11. Sprühdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ausströmöffnung (22) sich, bezogen auf die Einströmrichtung (4), in einer Richtung öffnet, die sowohl eine Radial- als auch eine Umfangskomponente aufweist.

12. Sprühdüse nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß die Umfangskomponente größer ist als die Radial­ komponente.

13. Sprühdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ausströmöffnung (22) einen radial nach außen hin zunehmenden Querschnitt aufweist.

14. Sprühdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ausströmöffnung (22) im Querschnitt recht­ eckig ist.

15. Sprühdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß an dem Drallkörper (13) wenigstens eine Leitflä­ che (17) vorgesehen ist, die das den Drallkörper (13) durchströmende Fluid auf den Weg von der Einströmöffnung (15) zu der Ausströmöffnung (22) auf einer Spiralbahn be­ züglich der Einströmrichtung führt.

16. Sprühdüse nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich­ net, daß die Leitfläche auf einen Spiralbogen liegt, der bei der Einströmöffnung (15) beginnt und sich um die Ein­ strömrichtung krümmt.

17. Sprühdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Drallkörper (13) in seiner Außenkontur ein Zylinder ist, an dessen Boden die Einströmöffnung (15) und an dessen Mantelfläche die wenigstens eine Ausströmöffnung (22) angeordnet ist.

18. Sprühdüse nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich­ net, daß der Drallkörper (13) feststehende, die Leitfla­ chen (17) tragende Schaufeln (16) aufweist, die zwischen einem scheibenförmigen Drallkörperboden (14) und einer ebenfalls scheibenförmigen Umlenkplatte (19) angeordnet sind.

19. Sprühdüse nach Anspruch 18, dadurch gekennzeich­ net, daß die Schaufeln (16) zwischeneinander mehrere Aus­ strömöffnungen (22) definieren.

20. Sprühdüse nach Anspruch 18, dadurch gekennzeich­ net, daß die Schaufeln (16) an der Einströmöffnungen (15) beginnen, an der sie bezüglich der Einströmrichtung (4) abgeschrägt sind und an der Ausströmöffnung (22) enden.

21. Sprühdüse nach Anspruch 18, dadurch gekennzeich­ net, daß die Umlenkplatte (19) an der der Einströmöffnung (15) gegenüberliegenden Stelle einen Strömungskörper (21) trägt, der das ankommende Fluid radial nach außen um­ leitet.

22. Sprühdüse nach Anspruch 21, dadurch gekennzeich­ net, daß der Strömungskörper (21) ein Kreiskegel ist.

23. Sprühdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Drallkörper (13) einstückig ausgebildet ist.

24. Sprühdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Drallkörper (13) aus keramischen Material besteht.

25. Sprühdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Drallkörper (13) ein Spritzgußteil aus Kunst­ stoff oder Aluminium ist.

26. Sprühdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Innenraum (3) des Düsenkörpers (2) an allen Stellen einen freien Strömungsquerschnitt aufweist, der größer ist als die Strömungsquerschnitte der Ein­ laßöffnung (11) und der Mündungsöffnung (12).

27. Sprühdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß sich der Innenraum (3) zu der Mündungsöffnung (12) hin verjüngt.

28. Sprühdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Düsenkörper (2) in seinem Innenraum (3) keine scharfen Kanten aufweist.

29. Sprühdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Düsenkörper aus Keramik besteht.

30. Sprühdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der von der Sprühdüse (1) erzeugte Strahl die Form eines Hohlkegels aufweist.