DE4440666A1

DE4440666A1 - Zerstäubungsvorrichtung

Info

Publication number: DE4440666A1
Application number: DE19944440666
Authority: DE
Inventors: Carsten Senge; Wolfgang Collin
Original assignee: BBJ SERVIS GGMBH fur JUGENDHI
Current assignee: BBJ SERVIS GGMBH fur JUGENDHI
Priority date: 1994-11-04
Filing date: 1994-11-04
Publication date: 1996-05-09

Description

Die Erfindung betrifft eine Zerstäubungsvorrichtung zum Zer stäuben von Flüssigkeiten in einem Gas- bzw. Luftstrom insbe sondere für flüssigen Brennstoff.

Solche Zerstäubungsvorrichtungen sind bekannt. So wird in der DE-OS 20 23 819 eine Zerstäubungsvorrichtung beschrieben, bei der der flüssige Brennstoff in einen sich expandierenden Luftstrom in der Nähe der freien Kante einer Pralleinrichtung eingebracht wird. Dadurch wird ein Aufbrechen der flächenhaf ten Verteilung des austretenden flüssigen Brennstoffes in zerstäubten flüssigen Brennstoff erreicht.

Der Nachteil dieser Lösung besteht in der ungleichmäßigen Verteilung der Flüssigkeit an der Pralleinrichtung durch ein zelne im Umfang an der Austrittsseite der Zerstäubungsvor richtung angeordnete Düsen und in den fehlenden Möglichkeiten der Regulierung von Luft- und Brennstoffstrom. Die Herstel lung eines geometrisch definierten Sprühnebels ist nicht mög lich.

Anregungen dazu werden mit der in der DE-PS 27 43 567 be schriebenen Brennerdüse für Flammspritzgeräte gegeben. Diese Erfindung besitzt zwei konzentrisch angeordnete Kanäle bzw. Düsen für ein Pulver- Trägergas und für ein Brenngas. Um Ein fluß auf die Strömung und die Verteilung des Pulver-Träger gases zu nehmen, ist in dem inneren Pulver-Trägergaskanal ein ebenfalls konzentrisch angeordneter Einsatz mit einer am Mündungsausgang der Pulver-Trägergasdüse konvex gewölbten oder kegelstumpfförmig hervortretenden Fläche eingebracht, so daß das Pulvergas leicht divergierend aus dem Kanal austritt und außerhalb des Brennerkopfes mit dem Brenngas zum Schnitt gebracht wird. Für ein optimales Zerstäuben eines Flüssig keitsstromes in einem Gas ist diese Anordnung nicht verwend bar.

Auch die zahlreichen bekannten Sprüh- bzw. Sprayköpfe sind nicht für ein gleichmäßiges und geregeltes Zerstäuben flüssi ger Brennstoffe geeignet. Bei ihnen findet entweder eine in nere Verwirbelung statt oder die Flüssigkeitspartikel werden durch ein Treibgas aus einem Behälter herausgerissen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Zerstäubungsvorrichtung für Flüssigkeiten in einem Gasstrom in kompakter Bauweise zu schaffen, die ein Zerstäuben in gleichmäßiger Tröpfchengröße, die Erzeugung eines Sprühnebels in geometrisch definierter Form und eine genaue Flüssigkeitsregulierung gestattet.

Diese Aufgabe wird mit den erfindungsgemäßen Merkmalen des 1. Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Durch die Zerstäubungsvorrichtung werden eine Flüssigkeit und ein Gas in getrennten Kanälen Düsenöffnungen zugeführt und durch Leiteinrichtungen die Ströme außerhalb der Zerstäu bungsvorrichtung derart zum Schnitt gebracht, daß eine feine und vollständige Zerstäubung der Flüssigkeit erfolgt.

Beide Düsenöffnungen sind ringförmig ausgebildet und zueinan der konzentrisch angeordnet, wobei die innere für den Ausstoß der Flüssigkeit und die äußere für das Gas vorgesehen ist. Vor den beiden Düsenöffnungen ist ein pilzförmiger Umlenkkör per angebracht, dessen untere, den Düsenöffnungen zugewandte Fläche vorzugsweise eine hyperboloide Form aufweist. Der Flüssigkeitsstrom, der durch die ringförmige Flüssigkeitsdüse bereits stark verengt wurde, tritt aus der Düsenöffnung aus und schmiegt sich nach dem Coandereffekt an die untere Fläche des Pilzkopfes an. Durch die besondere Form dieser Fläche wird der Flüssigkeitsfilm in einem Winkel von 90° abgelenkt und an der äußeren Kante des Umlenkkörpers, der Abrißkante, durch den ebenfalls ringförmig geführten Luft- oder Gasstrom zerstäubt. Der Durchmesser des Umlenkkörpers stimmt dabei mit dem inneren Durchmesser der ringförmigen Gasdüse überein. Die Abrißkante des Pilzkopfes ist zweckmäßigerweise abgeschrägt, so daß sie einen Winkel kleiner oder gleich 90° bildet. Der Pilzkopf wird durch einen spindel- oder nadelförmigen Einsatz getragen, welcher koaxial in der Zerstäubungsvorrichtung und innerhalb der Flüssigkeitsdüse durch geeignete Mittel geführt und durch einen Schrittmotor oder einem entsprechenden Ge triebe über eine Spindel in seiner Längsrichtung verstellt wird.

Der Einsatz und die Flüssigkeitsdüse sind zueinander in einem unterschiedlichen Winkel konisch geformt, so daß bei Verstel lung des Einsatzes sich der Düsenspalt im Querschnitt verän dert und die Durchflußmenge kontinuierlich und sehr genau re guliert werden kann. An seinem vorderen Ende ist der Einsatz und die ihm umgebende Düse über eine Länge von einigen Milli metern zylinderisch ausgeführt, um den Flüssigkeitsfilm auf eine bestimmte konstante Dicke zu bringen. Der Flüssigkeits film, der so aus der Düse tritt, wird an der Unterseite des Pilzkopfes gleichmäßig ringförmig verteilt und durch die be sondere Geometrie der Unterseite vergrößert.

Zu einer weiteren Vergrößerung der Oberfläche kann die Unter seite des Pilzkopfes zusätzlich mit Lamellen versehen oder in einer anderen geeigneten Weise strukturiert werden.

Um eine definierte Ausrichtung des erzeugten Sprühnebels zu erreichen, ist es möglich, den Düsenkopf der Zerstäubungsvor richtung mit zusätzlichen Gas- oder Luftdüsen zu versehen, welche ringförmig die beiden konzentrisch angeordneten Düsen öffnungen umgeben. Werden diese zusätzlichen Düsen schräg in einem Winkel zur Symmetrieachse der Zerstäubungsvorrichtung ausgerichtet, wird eine Fokussierung des Gas-Flüssigkeits-Sprühnebels erreicht.

Durch den Aufbau und die Wirkungsweise der Zerstäubungsvor richtung ist ein Nachtropfen der Flüssigkeit ausgeschlossen. Mit dem Kegel-Konusgetriebe für die Regulierung der Flüssig keit kann der Flüssigkeitskanal gleichzeitig sicher ver schlossen werden. Die Restflüssigkeit, die in der schmalen Flüssigkeitsdüse zurückbleibt, wird durch Kapilarwirkung in dieser gehalten.

An Hand von Zeichnungen wird ein vorteilhaftes Ausführungs beispiel der erfindungsgemäßen Lösung näher dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 die Zerstäubungsvorrichtung in ihrer Gesamtansicht;

Fig. 2 den Düsenkopf;

Fig. 3 eine Ausführungsform der Gaskappe mit zusätzlichen Fokussierungsöffnungen;

Fig. 4 einige spezielle Formen des Pilzkopfes;

Fig. 5 eine mögliche Anordnung der Führungselemente in der Flüssigkeitsdüse.

Die Zerstäubungsvorrichtung ist in Fig. 1 in ihrer Gesamtan sicht abgebildet. Ein Gehäuse 1 trägt einen Düsenkopf 2, der aus einer Flüssigkeitsdüse 3 und einer Gaskappe 4 gebildet wird. Aus dem Düsenkopf 2 ragt ein pilzförmiger Umlenkkörper 5 heraus. Die Gaskappe 4 ist mit einer Überwurfmutter 6 am Gehäuse 1 befestigt und die Flüssigkeitsdüse 3 ist axial mit dem Gehäuse 1 verschraubt. Der Umlenkkörper 5 wird von einem spindelförmigen Einsatz 7 getragen und ist an diesem auswech selbar befestigt. An das Gehäuse 1 ist ein Schrittmotor 8 oder ein Getriebe angeflanscht. Der Schrittmotor 8 dient zur Bewegung des in seiner Längsrichtung verschiebbaren Einsatzes 7. Die Wirkungsweise dieser Bewegung ist in Fig. 2 besser zu erkennen und beschrieben. Das Gehäuse 1 ist an seinem Umfang mit zwei Bohrungen versehen, von denen die eine als Flüssig keitseinlaß 9 und die andere als Gaseinlaß 10 dient. Von den Bohrungen 9 und 10 verlaufen parallel zur Symmetrieachse 11 des Gehäuses 1 der Zerstäubungsvorrichtung entsprechende Ka näle 12 und 13 zum Düsenkopf 2, von denen der innere Flüssig keitskanal 12 bereits konzentrisch um den Einsatz 7 angeord net ist.

Damit die Flüssigkeit gleichmäßig in dem Flüssigkeitskanal 12 verteilt und zum Umlenkkörper 5 hin freigegeben wird, ist der Einsatz 7 unterhalb des Flüssigkeitseinlasses 9 durch eine Führungsmuffe 14 und den Schrittmotor 8 und im Bereich des Düsenkopfes 2 durch geeignete Führungselemente 29 (zu sehen in Fig. 5) genau konzentrisch in seiner Lage gehalten.

Der Aufbau des Düsenkopfes 2, der mit seiner Flüssigkeitsdüse 3 und seiner Gaskappe 4 entsprechend der Fig. 1 auf dem Ge häuse 1 befestigt ist, und die Wirkungsweise der erfindungs gemäßen Zerstäubungsvorrichtung ist in Fig. 2 zu erkennen. Die Flüssigkeit und das Gas werden in den getrennten Kanälen 12 und 13 dem Düsenkopf 2 zugeführt und münden dort in zwei konzentrisch angeordnete Kammern, eine innere Flüssigkeits kammer 15, die aus der Flüssigkeitsdüse 3 und dem Einsatz 7 gebildet wird, und eine äußere Gaskammer 16, die sich zwi schen der Gaskappe 4 und der Flüssigkeitsdüse 3 befindet. Beide Kammern enden in düsenförmigen Auslässen, dem Flüssig keitsauslaß 17 und den Gasauslaß 18. Innerhalb des Flüssig keitskanals 12 und der sich daran anschließenden Flüssig keitskammer 15 ist der zusammengesetzte bewegliche Einsatz 7 zu erkennen, der axial innerhalb der Zerstäubungsvorrichtung angeordnet ist. Der Querschnitt des Einsatzes 7 korrespon diert derart mit den Querschnitten der Flüssigkeitskanalab schnitte 19 und 20, daß im Abschnitt 20 stets ein ringförmi ger Querschnitt gleicher Größe und im Abschnitt 19 ein Ring querschnitt veränderbarer Größe besteht. Die Querschnittsver änderung im Abschnitt 19 wird durch die Bewegung des Einsat zes 7 in seiner Längsrichtung entlang der Symmetrieachse 11 der Zerstäubungsvorrichtung erreicht, weil die Flüssigkeits kammer 15 und der Einsatz 7 zueinander in einem unterschied lichen Winkel konisch ausgebildet sind. Mit dieser Kegel-Ko nusverbindung ist eine sehr feine Regulierung des Flüssig keitsstromes möglich. Am vorderen Ende des Düsenkopfes 2 im Abschnitt 20 sind der Einsatz 7 und die Flüssigkeitskammer 15 zueinander zylinderisch ausgeführt, um den Flüssigkeitsfilm auf eine bestimmte konstante Größe zu bringen. Außerhalb des Flüssigkeitskanals 12, 15 ist vor den beiden düsenförmigen Auslaßöffnungen 17 und 18 der Einsatz 7 mit dem Pilzkopf 5 versehen, dessen Umhüllende 21 an der den Auslaßöffnungen 17 und 18 zugewandten Seite eine hyperboloide Form aufweist, welche sich von der Abrißkante 22 des Pilzkopfes 5 in Rich tung der Flüssigkeitsaustrittsöffnung 17 auf den Querschnitt des Einsatzes 7 verjüngt. Der Gaskanal 13 bildet zwischen der Flüssigkeitsdüse 3 und der Gaskappe 4 in einem Abschnitt 23 eine symmetrisch um die Flüssigkeitsdüse 3 angeordnete Ring kammer 24. Die gedachte Verlängerung der Innenfläche der Ringkammer 24, die gleichzeitig die Außenfläche der Flüssig keitsdüse 3 ist, stößt über die Gasaustrittsöffnung 18 hinaus auf die Abrißkante 22 des Pilzkopfes 5 oder überragt sie ge ringfügig. Durch diese Form des Pilzkopfes 5 wird der aus der Flüssigkeitsaustrittsöffnung 17 aus tretende Flüssigkeitsfilm an der hyperboloidisch geformten Unterkante des Pilzkopfes 5 vergrößert und demzufolge in seiner Dicke weiter verringert. An der Abrißkante 22 des Pilzkopfes 5 werden die Flüssig keitspartikel von dem Gasstrom erfaßt und zerstäubt.

In Fig. 3 ist eine Gaskappe 4 dargestellt, die mit zusätzlich angeordneten Gasaustrittsdüsen 25 versehen ist. Die Düsen 25 bestehen aus Bohrungen, die ringförmig und konzentrisch um die Gasaustrittsöffnung 18 angeordnet sind, und vorzugsweise zur Fokusierung des Gas-Flüssigkeitsgemisches schräg in ei nem Winkel zur Symmetrieachse 11 der Zerstäubungsvorrichtung ausgerichtet sind.

Zwei Beispiele anderer möglicher Ausführungsformen des Pilz kopfes 5 zeigen die Fig. 4a und 4b. In Fig. 4a ist die hy perboloidisch geformte Unterkannte 21 des Pilzkopfes 5 zu sätzlich zur Vergrößerung ihrer Oberfläche mit Lamellen 26 versehen und in Fig. 4b besitzt der Pilzkopf 5 eine zusätzli che rotationssymmetrische konkave Fläche 27 und eine zweite Abrißkante 28. Durch diese Form des Pilzkopfes 5 werden Teile der Flüssigkeit, die noch nicht an der ersten Abrißkante 22 vollständig vom Gasstrom erfaßt wurden und auf der zusätzli chen Fläche 27 weitergleiten, an der zweiten Abrißkante 28 er faßt und zerstäubt.

In Fig. 5 ist eine mögliche Anordnung der Führungselemente 29 für die Führung des Einsatzes 7 innerhalb der Flüssigkeitsdü se 3 dargestellt. Die Führungselemente 29, die parallel zum Flüssigkeitsstrom angeordnet sind, befinden sich in dem zy linderförmigen Abschnitt 20 der Flüssigkeitsdüse 3 und nehmen etwa zwei Drittel dieses Abschnittes ein, so daß etwa ein Drittel zur Flüssigkeitsauslaßseite 17 hin frei sind und eine gleichmäßige Verteilung des Flüssigkeitsfilmes über die ge samte Fläche 21 unterhalb des Pilzkopfes 5 erreicht wird.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht aus schließlich auf die in der Beschreibung und in den Zeichnun gen genannten Ausführungsbeispiele. Vielmehr sind weitere Ge staltungsformen denkbar, welche von den beschriebenen Lösun gen abweichen.

Claims

1. Zerstäubungsvorrichtung, bei der Flüssigkeit und Gas in getrennten Kanälen zugeführt und durch Leiteinrichtungen die Ströme außerhalb der Zerstäubungsvorrichtung zum Schnitt gebracht werden, dadurch gekennzeichnet, daß
im Flüssigkeitskanal (12, 15) ein zusammengesetzter beweg licher Einsatz (7) axial in Zerstäubungsrichtung inner halb der Zerstäubungsvorrichtung angeordnet ist, dessen Querschnitt mit den Querschnitten der Flüssigkeitskanal abschnitte (19, 20) korrespondiert, derart daß im Ab schnitt (20) stets ein ringförmiger Querschnitt gleicher Größe und im Abschnitt (19) ein Ringquerschnitt veränder barer Größe besteht,
der Einsatz (7) außerhalb des Flüssigkeitskanals (15) mit einen Pilzkopf (5) versehen ist, dessen Umhüllende (21) an der der Austrittsöffnung zugewandten Seite eine hyper boloide Form aufweist, die sich von der Abrißkante (22) des Pilzkopfes (5) in Richtung der Flüssigkeitsaustritts öffnung auf den Querschnitt des Einsatzes (7) verjüngt,
der Gaskanal in einem Abschnitt (23) eine symmetrisch um den Flüssigkeitskanal (15) angeordnete Ringkammer (24) bildet, deren gedachte Verlängerung der Innenfläche über die Gasaustrittsöffnung (18) hinaus auf die Abrißkante (22) des Pilzkopfes (5) stößt oder sie geringfügig über ragt.

2. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Flüssigkeitskanal (15) und der Gaskanal (16) konzen trisch zueinander angeordnet sind und der Flüssigkeitska nal (15) zwischen dem Einsatz (7) und einer Flüssigkeits düse (3) und der Gaskanal (16) zwischen der Flüssigkeits düse (3) und einer Gaskappe (4) angeordnet ist und die Flüssigkeitsdüse (3) und die Gaskappe (4) an einem Ge häuse (1) lösbar befestigt sind, welches eine Flüssig keitseintrittsöffnung (9) und eine Gaseintrittsöffnung (10) und einen Schrittmotor (8) für den Antrieb des be wegbaren Einsatzes (7) trägt.

3. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Flüssigkeitskanal (15) im Abschnitt (19) eine koni sche Form, deren Querschnitt sich zur Flüssigkeitsaus trittsöffnung hin verjüngt, und im Abschnitt (20) eine zylindrische Form aufweist.

4. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Einsatz (7) im Abschnitt (19) eine konische Form, de ren Querschnitt sich zur Flüssigkeitsaustrittsöffnung hin verjüngt, und im Abschnitt (20) eine zylindrische Form aufweist.

5. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Einsatz (7) mit einem Schrittmotor (8) oder einem entsprechenden Getriebe verbunden ist, der mittels einer Spindel die Bewegung des Einsatzes (7) in Längsrichtung der Zerstäubungsvorrichtung vollzieht.

6. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Pilzkopf (5) mit dem Einsatz (7) verschraubt ist und der Schaft des Pilzkopfes (5) im Abschnitt (20) der Ein satz (7) ist.

7. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Verjüngung der hyperboloiden Form an der der Aus trittsöffnung zugewandten Seite des Pilzkopfes (5) auf ei ner Kreisbahn erfolgt und vorzugsweise einem Viertel ei nes Kreisumfanges entspricht.

8. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Innen- und Außenfläche der Ringkammer (24) jeweils einen Zylinder bilden.

9. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Innenfläche der Ringkammer (24) einen Zylinder bildet und die Außenfläche eine konische Form aufweist, deren Querschnitt an der Gasaustrittsöffnung (18) am kleinsten ist.

10. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Außenfläche der Ringkammer (24) einen Zylinder bildet und die Innenfläche eine konische Form aufweist, deren Querschnitt an der Gasaustrittsöffnung (18) am kleinsten ist.

11. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Innen- und Außenfläche der Ringkammer (24) jeweils eine konische Form aufweisen, deren Querschnitte an der Gasaustrittsöffnung (18) jeweils am kleinsten sind.

12. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Abrißkante (22) des Pilzkopfes (5) einen Winkel klei ner oder gleich 90° bildet.

13. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Pilzkopf (5) mit einer zusätzlichen rotationsymmetri schen konkaven Fläche (27) und einer zweiten Abrißkante (28) versehen ist.

14. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die hyperboloide Fläche (21) des Pilzkopfes (5) zur Ver größerung dieser Fläche (21) mit Lamellen (25) versehen ist.

15. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Gaskappe (4) zusätzliche ringförmige Öffnungen (25) besitzt, die den Flüssigkeitskanal (15) und den Gaskanal (16) mit einem größeren Radius umschließen, und diese Öffnungen (25) zur Fokussierung des Gas-Flüssigkeitsgemi sches schräg in einem Winkel zur Symmetrieachse (11) der Zerstäubungsvorrichtung ausgerichtet sind.

16. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß für die Führung des Einsatzes (7) innerhalb der Flüssig keitsdüse (3) Führungselemente (29) parallel zum Flüssig keitsstrom angeordnet sind.

17. Zerstäubungsvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekenn zeichnet, daß die Führungselemente (29) in dem zylinderförmigen Ab schnitt (20) innerhalb der Flüssigkeitsdüse (3) längliche Ausstülpungen sind, die auf der inneren Fläche der Flüs sigkeitsdüse (3) parallel zur Symmetrieachse (11) der Zerstäubungseinrichtung gleichmäßig ringförmig verteilt und im Anschluß an den konischen Abschnitt (19) etwa zwei Drittel der Länge des Abschnittes (20) einnehmen.