DE602004012985T2

DE602004012985T2 - Zerstäubungsdüse für überhitzte flüssigkeiten

Info

Publication number: DE602004012985T2
Application number: DE602004012985T
Authority: DE
Inventors: Joseph Haiun
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-03-24
Filing date: 2004-03-12
Publication date: 2009-05-28
Anticipated expiration: 2024-03-13
Also published as: DK1606064T3; JP2006521199A; RU2301710C2; FR2852867B1; PT1606064E; RU2005132597A; WO2004085073A2; FR2852867A1; BRPI0408776A; CN100525931C; PL1606064T3; EP1606064B1; US7753286B2; CN1764505A; EP1606064A2; ES2305751T3; DE602004012985D1; ATE391562T1; CA2519273C; WO2004085073A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Düse, die dazu bestimmt ist, eine überhitzte Flüssigkeit zu zerstäuben, gemäß den Ansprüchen 1 und 4.
Gemäß dem derzeitigen Stand der Technik sind die Zerstäubungsdüsen dazu bestimmt, nicht überhitzte Flüssigkeiten zu sprühen, indem ein Flüssigkeitsstrahl gebildet wird, der am Ausgang der Düse durch spiralförmige oder andere Elemente gebrochen wird; die erfindungsgemäße Vorrichtung erfordert den Einsatz solcher Elemente nicht, da der Strahl von selbst unter der Einwirkung des Überdrucks der Flüssigkeit explodiert.
EP 0 476 705 beschreibt eine Düse gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 4.
Ferner erlauben die herkömmlichen Düsen Zerstäubungen von Flüssigkeit mit Geschwindigkeiten, die nur selten die Schallgeschwindigkeit überschreiten, und die mittlere Größe der zerstäubten Tröpfchen ist selten kleiner als zwanzig oder fünfzig Mikrometer; die besten Leistungen hinsichtlich der Größen und Geschwindigkeiten der Tröpfchen erzielt man durch den Einsatz eines komprimierten Gases zur Unterstützung des Zerstäubens oder durch Ultraschall für die Düsen mit niedrigem Durchsatz; schließlich sind diese Düsen nicht mit Vorrichtungen ausgestattet, die dazu bestimmt sind, den Ausgangsquerschnitt anzupassen, um eine maximale Überschallgeschwindigkeit der Tröpfchen beizubehalten, wenn der Druck oder die Temperatur der zerstäubten Flüssigkeit variieren, oder wenn der Druck der Umgebung, in die die Flüssigkeit zerstäubt wird, variiert.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt es, diesen Nachteilen in den Sonderfällen abzuhelfen, bei welchen große Flüssigkeitsdurchsätze in Form sehr feiner Tröpfchen mit sehr großen Geschwindigkeiten, mit Durchsätzen, Druck und Temperaturen der zerstäubten Flüssigkeit zerstäubt werden müssen, die in starken Ausmaßen variieren können, und wenn der Druck der Umgebung, in die die Flüssigkeit zerstäubt wird, ebenfalls in starken Ausmaßen variieren kann.
Die vorliegende Erfindung hat daher eine Vorrichtung gemäß den unten beschriebenen Vorrichtungen zur Aufgabe. Die Erfindung zielt auch auf die charakteristischen Punkte und Ausführungsformen ab, die als Varianten beschrieben sind.
VERSION 1
Vorrichtung, dargestellt auf 1.A, bestehend aus einem Düsenkörper 1, der auf einem Träger befestigt ist, der das Zuführen von überhitzter Flüssigkeit erlaubt; der Düsenkörper weist einen Kanal 3 auf, in dem die überhitzte Flüssigkeit zirkuliert, gefolgt von einer Konvergenz und mehreren Einspritzern 4, in denen die überhitzte Flüssigkeit beschleunigt wird, um in einer divergenten Sprühdüse 5 zum Entspannen und Anpassen der Geschwindigkeit zu münden; bei ihrem Eintreten in diese Düse verdampft der Flüssigkeitsstrahl teilweise und explodiert augenblicklich unter der Einwirkung seiner eigenen Dampfspannung, um eine Mischung aus feinen Tröpfchen und Dampf zu bilden.
Die Mantellinie der divergenten Düse 5 weist eine Diskontinuität auf, das heißt einen Winkel, an ihrer Schnittstelle mit der Mantellinie der Einspritzer 4, und ihr Ausgangsquerschnitt ist derart dimensioniert, dass die Mischung aus der Düse mit dem Druck P1 der externen Umgebung ohne Bilden einer Druckwelle in der divergenten Düse 5 ausgestoßen wird; die Ausstoßgeschwindigkeit der Mischung entspricht daher der maximalen Ausstoßgeschwindigkeit.
Beim Abfließen der Mischung entlang der divergenten Düse 5 sinkt der Druck und verursacht ein Sinken der Temperatur der Mischung, ein ständiges Verdampfen der Flüssigkeit und ein ständiges Beschleunigen der Geschwindigkeit des Dampfs aufgrund des Steigerns seines Durchsatzes; unter der Einwirkung der Reibung mit dem Dampf werden die Flüssigkeitströpfchen ebenfalls beschleunigt, und der Prozess geht weiter bis zu der Ausgangsöffnung 6, wo der Druck P1 der Mischung mit dem der Umgebung, in die die Flüssigkeit zerstäubt wird, im Gleichgewicht ist.
Die mathematische Simulation des Fließens der überhitzten Flüssigkeit entlang der Vorrichtung zeigt, dass der Druck am Ausgang der Einspritzer 4 gleich der gesättigten Dampfspannung Ps ist; ab seinem Eintreten in die divergente Sprühdüse kühlt sich der Flüssigkeitsstrom ab, beginnt sofort zu sieden und teilt sich unter der Einwirkung der Dampfspannungskräfte innerhalb der Flüssigkeit in Partikel; die Größe der Partikel hängt mit diesen Trennkräften zusammen, die wiederum von der Leitfähigkeit der Flüssigkeit, vom Wärmeaustausch- und Diffusionskoeffizienten und von dem Gefälle der Mantellinie der divergenten Sprühdüse 5 an der Verbindung mit den Einspritzern 4 abhängen; diese Kräfte sind umso größer und die Größe der Partikel ist umso kleiner als dieses Gefälle sich der Vertikalen nähert.
Bei einer Vorrichtung, die für eine vordefinierte Anwendung dimensioniert ist, kann der Durchsatz an zerstäubter Flüssigkeit durch Ändern des Drucks Po und der Temperatur To der Flüssigkeit am Eingang der Düse geändert werden; Idealerweise erzielt man die höchste Partikelgeschwindigkeit am Ausgang der Vorrichtung, wenn dieses Wertepaar dem Ausgangsquerschnitt der divergenten Sprühdüse 5 entspricht. Um die Leistungen der Vorrichtung zu verbessern, kann das Gefälle der Mantellinie der divergenten Sprühdüse 5 eventuell sogar an seiner Verbindung mit den Einspritzern 4 vertikal sein, wie auf 1.A dargestellt: Die divergente Sprühdüse 5 weist daher eine Abflachung an ihrer Verbindung mit 4 auf; diese Abflachung, die eine starke Druckvariation schafft, erlaubt das Erzielen sehr feiner Tröpfchen und erleichtert das Bearbeiten der Düse.
Bei Bedarf kann die divergente Sprühdüse teilweise oder komplett in den externen Träger 0, wie in 1.B gezeigt, integriert werden.
Als Ausführungsbeispiel erlaubt es die Zerstäubungsdüse gemäß 1.A, die aus einem Körper aus nicht rostendem Stahl mit einer Länge von 20 mm, 9 Einspritzern mit Durchmesser 0,5 mm und einer divergenten Sprühdüse mit Ausgangsdurchmesser gleich 8 mm besteht, 200 k/h überhitztes Wasser zu 60 bar und 270°C in die Umgebungsluft mit einer Ausstoßgeschwindigkeit nahe 540 m/s auszustoßen, wobei die Größe der zerstäubten Partikel nahe 5 Mikrometer ist und ihre Temperatur gleich 100°C; nahezu 30% des Eingangsdurchsatzes an überhitztem Wasser liegen am Ausgang der Düse als Dampf vor.
VARIANTE 2
Vorrichtung dargestellt auf 2, die es erlaubt, das Konzept der Zerstäubungsdüse zu vereinfachen, ihre Kapazität zu erhöhen und ihre Herstellung zu erleichtern, indem die zylindrischen Einspritzer 4 durch einen ringförmigen Einspritzer 16 ersetzt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einem Düsenkörper 1, der auf einem Träger 0 befestigt ist, der das Zuführen von überhitzter Flüssigkeit erlaubt; dieser Düsenkörper weist einen Kanal 3 auf, in dem die überhitzte Flüssigkeit zirkuliert, gefolgt von einer Konvergenz und einem ringförmigen Durchgangsquerschnitt 16, der hier ringförmiger Einspritzer genannt wird, in dem die überhitzte Flüssigkeit beschleunigt wird, um auf einer divergenten Entspannungs- und Beschleunigungssprühdüse 5 zu münden; gleich bei seinem Eintreten in diese Sprühdüse verdampft der Flüssigkeitsstrahl teilweise und explodiert augenblick lich unter der Einwirkung seiner eigenen Dampfspannung, um eine Mischung aus feinen Tröpfchen und Dampf zu bilden.
Die Mantellinie der divergenten Sprühdüse 5 weist eine Diskontinuität an ihrer Schnittstelle mit der Mantellinie des ringförmigen Einspritzers 16, das heißt einen Winkel auf, und ihr Ausgangsquerschnitt ist derart dimensioniert, dass die Mischung aus der Düse mit dem Druck P1 der externen Umgebung ohne Bilden einer Stoßwelle in der divergenten Sprühdüse 5 ausgestoßen wird; die Ausstoßgeschwindigkeit der Mischung entspricht daher der maximalen Ausstoßgeschwindigkeit.
Der ringförmige Einspritzer besteht aus einem Freiraum zwischen einer Aushöhlung 16, die zum Beispiel zylindrisch ist, und einem Einspritz-Kern 8; die Art der Befestigung des Einspritz-Kerns auf dem Düsenkörper erlaubt das Zirkulieren der zu zerstäubenden Flüssigkeit in der Düse. Beispielhaft und nicht einschränkend stellt 2 einen zylindrischen Einspritz-Kern 8 versehen mit einem Sockel 9 auf, der Durchgangsöffnungen 10 aufweist, wobei der Sockel selbst auf dem Eingangskanal 3 befestigt ist.
Beim Fließen der Mischung entlang der divergenten Sprühdüse 5 sinkt der Druck, was ein Sinken der Temperatur der Mischung, ein kontinuierliches Verdampfen der Flüssigkeit und eine kontinuierliche Beschleunigung des Dampfs aufgrund der Steigerung seines Durchsatzes verursacht; unter der Einwirkung der Reibung mit dem Dampf werden die Flüssigkeitströpfchen daher ebenfalls beschleunigt, und der Prozess wird bis zur Ausgangsöffnung fortgesetzt, wo der Druck P1 der Mischung im Gleichgewicht mit dem der Umgebung, in die die Flüssigkeit zerstäubt wird, ist.
Die mathematische Simulation des Fließens der überhitzten Flüssigkeit entlang der Vorrichtung zeigt, dass der Druck am Ausgang des Einspritzers 16 gleich dem gesättigten Dampfdruck Ps ist; gleich bei seinem Eintreten in die divergente Sprühdüse kühlt sich der Flüssigkeitsstrahl ab, beginnt augenblicklich zu sieden und teilt sich unter der Einwirkung der Dampfspannungskräfte innerhalb der Flüssigkeit in Partikel; die Größe der Partikel hängt von diesen Teilungskräften ab, die wiederum von der Leitfähigkeit der Flüssigkeit, von dem Wärmeaustausch- und dem Diffusionskoeffizienten und dem Gefälle der Mantellinie der divergenten Sprühdüse 5 an der Verbindung mit dem Einspritzer 16 abhängen; diese Kräfte sind umso größer und die Größe der Partikel ist umso kleiner als sich dieses Gefälle der Vertikalen nähert.
Bei einer Vorrichtung, die für eine vorbestimmte Anwendung dimensioniert ist, kann der Durchsatz an zerstäubter Flüssigkeit durch Ändern des Drucks Po und der Temperatur To der Flüssigkeit am Eingang der Düse geändert werden; Idealerweise erzielt man die höchste Partikelgeschwindigkeit am Ausgang der Vorrichtung, wenn dieses Wertepaar dem Ausgangsquerschnitt der divergenten Sprühdüse 5 entspricht.
Um die Leistungen der Vorrichtung zu erhöhen, kann das Gefälle der Mantellinie der divergenten Sprühdüse 5 an ihrer Verbindung mit der Mantellinie der Aushöhlung 16 so gut wie senkrecht zu der Achse dieser Aushöhlung sein, wie auf 1.A dargestellt: Die divergente Sprühdüse 5 weist daher eine plötzliche Querschnitterhöhung im Vergleich zu dem Ausgang des Einspritzers 16 auf; diese plötzliche Querschnitterhöhung schafft eine starke Druckvariation und erlaubt das Erzielen sehr feiner Tröpfchen; ferner erleichtert sie das Bearbeiten der Düse.
Bei Bedarf kann die divergente Sprühdüse teilweise oder komplett in den externen Träger 0, wie auf 1.B dargestellt, integriert werden.
Als Ausführungsbeispiel erlaubt eine Zerstäubungsdüse gemäß 2, die aus einem Körper aus nicht rostendem Stahl mit Länge 50 mm, aus einem ringförmigen Einspritzer mit einer Öffnung mit Durchmesser 5 mm und einem Einspritz-Kern mit Durchmesser 4 mm sowie einer divergenten Sprühdüse mit Ausgangs durchmesser gleich 16 mm besteht, das Zerstäuben von 800 k/h überhitztem Wasser zu 60 bar und 270°C in der Umgebungsluft mit einer Ausstoßgeschwindigkeit nahe 540 m/s, wobei die Größe der zerstäubten Partikel nahe 5 Mikrometer und ihre Temperatur gleich 100°C ist; nahezu 30% des Eingangsdurchsatzes an überhitztem Wasser liegen am Ausgang der Düse als Dampf vor.
VARIANTE 3
Vorrichtung dargestellt auf 3, die es für eine gleiche Zerstäubungsdüse erlaubt, nach Wunsch den Durchsatz, den Druck Po oder die Temperatur To der überhitzten Flüssigkeit am Eingang sowie den Druck P1 der Gasumgebung, in der die Flüssigkeit zerstäubt wird, zu ändern und gleichzeitig eine maximale Ausstoßgeschwindigkeit der zerstäubten Tröpfchen am Ausgang der Vorrichtung beizubehalten, wobei dieses Ergebnis durch das gesteuerte Einfügen eines profilierten Kerns 11 in die divergente Sprühdüse 5 erzielt wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einem Düsenkörper 1, der auf einem Träger 0 befestigt ist, der das Zuführen von überhitzter Flüssigkeit erlaubt; der Düsenkörper weist einen Kanal 3 auf, in dem die überhitzte Flüssigkeit zirkuliert, gefolgt von einer Konvergenz und einem oder mehreren Einspritzern 4, wo die überhitzte Flüssigkeit beschleunigt wird, um auf einer divergenten Entspannungs- und Beschleunigungssprühdüse 5 zu münden; gleich bei seinem Eintritt in die Düse verdampft der Flüssigkeitsstrahl teilweise und explodiert augenblicklich unter der Einwirkung seiner eigenen Dampfspannung, um eine Mischung aus feinen Tröpfchen und Dampf zu bilden.
Ein profilierter Kern 11, der in der Achse der divergenten Sprühdüse 5 gleiten kann, erlaubt es je nach seiner Position, den Ausgangsquerschnitt dieser Sprühdüse zu regeln; die kontinuierlichen und monotonen Profile der Mantellinien der divergenten Sprühdüse 5 und des Kerns 11 erlauben es, einen anwachsenden Durchgangsquerschnitt zwischen 5 und 11 entlang der ganzen Achse der Sprüh düse zu behalten, ungeachtet der Position des Kerns 11; beispielhaft und nicht einschränkend erlauben es Mantellinienprofile, die linearen oder parabolischen Querschnittvariationen entsprechen, diese Forderung zu erfüllen.
Die Form der stromabwärtigen Mantellinie 12B des Kerns 11 ist beliebig und kann entweder flach sein, das heißt einen flachen Boden bilden, oder ein aerodynamisches Profil haben, um die Lastverluste der Mischung nach ihrem Austreten aus der Sprühdüse zu beschränken, oder an andere Auflagen der Umgebung der Düse angepasst sein.
Die Mantellinie der divergenten Sprühdüse 5 weist eine Diskontinuität an ihrer Schnittstelle mit der Mantellinie der Einspritzer 4, das heißt einen Winkel auf.
Der Kern 11 wird von einem Mechanismus gestützt, der es erlaubt, seine relative Position in Bezug auf die Sprühdüse 5 von außen her einzustellen; dieser Mechanismus kann beliebig in die Düse integriert oder extern sein; das nicht einschränkende Beispiel der 3 zeigt einen Kern, der von einer Achse 13 gestützt wird, die die Zerstäubungsdüse durchquert, und der an seinem Ende einen Sockel 9 aufweist, der mit Öffnungen 10 versehen ist, die das Durchgehen der zu zerstäubenden Flüssigkeit erlauben; ein Gewinde 17 auf diesem Sockel und auf dem Kanal 3 erlauben das Regeln der relativen Positionen des Kerns und der Sprühdüse.
Ungeachtet des Durchsatzes der zu zerstäubenden Flüssigkeit, ihres Drucks Po und ihrer Temperatur To, und ungeachtet des Drucks P1 der Gasumgebung, in das die Flüssigkeit zerstäubt wird, kann der Ausgangsquerschnitt der Düse eingestellt werden, damit das Gemisch aus der Sprühdüse 5 mit dem Druck P1 ohne Bilden einer Druckwelle in der divergenten Sprühdüse ausgestoßen wird; die Ausstoßgeschwindigkeit der Mischung entspricht daher der maximalen Ausstoßgeschwindigkeit.
Beim Strömen der Mischung entlang der divergenten Sprühdüse 5 sinkt der Druck, was ein Sinken der Temperatur der Mischung, ein kontinuierliches Verdampfen der Flüssigkeit und eine kontinuierliche Beschleunigung des Dampfs aufgrund der Steigerung seines Durchsatzes verursacht; unter der Einwirkung der Reibung mit dem Dampf werden auch die Flüssigkeitströpfchen beschleunigt, und der Prozess wird bis zur Ausgangsöffnung fortgesetzt, wo der Druck P1 der Mischung in Gleichgewicht mit dem der Gasumgebung, in die die Flüssigkeit zerstäubt wird, in Gleichgewicht ist.
Die mathematische Simulation des Fließens der überhitzten Flüssigkeit entlang der Vorrichtung zeigt, dass der Druck am Eingang des Einspritzers 16 gleich der gesättigten Dampfspannung Ps ist; bei seinem Eintreten in die divergente Düse kühlt sich der Flüssigkeitsstrom ab, beginnt sofort zu sieden und teilt sich unter der Einwirkung der internen Dampfspannungskräfte der Flüssigkeit in Partikel; die Größe der Partikel hängt von diesen Trennkräften ab, die wiederum von der Leitfähigkeit der Flüssigkeit, dem Wärmeaustausch- und Diffusionskoeffizienten und von dem Gefälle der Mantellinie der divergenten Sprühdüse 5 an der Verbindung mit dem Einspritzer 16 abhängen; diese Kräfte sind umso größer und die Größe der Teilchen ist umso kleiner als sich dieses Gefälle der Vertikalen nähert.
Bei einer Vorrichtung, die für eine vordefinierte Anwendung dimensioniert ist, kann der Durchsatz an zerstäubter Flüssigkeit durch Ändern des Drucks Po und der Temperatur To der Flüssigkeit am Eingang der Düse geändert werden.
Um die Leistungen der Vorrichtung zu verbessern, kann das Gefälle der Mantellinie der divergenten Sprühdüse 5 an ihrer Verbindung mit der Mantellinie der Aushöhlung 16 so gut wie senkrecht zu der Achse dieser Aushöhlung sein, wie auf 3 dargestellt: Die divergente Sprühdüse 5 weist daher eine plötzliche Querschnittsteigerung im Vergleich zu dem Ausgang des Einspritzers 16 auf; diese plötzliche Querschnittsteigerung schafft eine starke Druckschwankung und erlaubt das Erzielen sehr feiner Tröpfchen; ferner erleichtert sie das Bearbeiten der Düse.
Bei Bedarf kann die divergente Sprühdüse 5 teilweise oder komplett in den externen Träger 0, wie auf 1.B dargestellt, integriert werden.
Als Ausführungsbeispiel erlaubt es eine Zerstäubungsdüse gemäß 3, die aus einem Körper aus nicht rostendem Stahl mit Länge 80 mm, 9 Einspritzern mit Durchmesser 0,5 mm, einer divergenten Sprühdüse mit Ausgangsdurchmesser gleich 23 mm und einem Kern mit maximalen Durchmesser zu 80 mm besteht, 200 k/h überhitztes Wasser mit 60 bar und 270°C in der Luft zu zerstäuben, deren Druck P1 von dem Umgebungsdruck bis 0,1 bar A variiert, wobei die extremen Ausstoßbedingungen die Folgenden sind:

– Für die Luft mit Luftdruck: eine Ausstoßgeschwindigkeit nahe 540 m/s und eine Größe der zerstäubten Partikel nahe 5 Mikrometer bei einer Temperatur gleich 100°C; etwa 30% des Eingangsdurchsatzes an überhitztem Wasser liegen am Ausgang der Düse als Dampf vor.
– Für die Luft mit Druck von 0,1 bar A: eine Ausstoßgeschwindigkeit nahe 700 m/s und eine Größe der zerstäubten Partikel nahe 5 Mikrometer bei einer Temperatur gleich 46°C; etwa 31% des Eingangsdurchsatzes an überhitztem Wasser liegen am Ausgang der Düse als Dampf vor.

VARIANTE 4
Vorrichtung dargestellt auf 4, die es erlaubt, das Funktionieren der Variante 3 zu verbessern, indem das Positionieren des Kerns 11 in der divergenten Sprühdüse 5 automatisiert wird.
Das Automatisierungssystem wirkt auf den Stütz- und Positionierungsmechanismus des Kerns 11 ein, damit der Ausgangsquerschnitt der Düse dem Durchsatz, Druck Po und der Temperatur To des überhitzten Wassers am Eingang sowie dem Druck P1 der Gasumgebung, in die die Flüssigkeit zerstäubt wird, entspricht, damit die Ausstoßgeschwindigkeit der zerstäubten Tröpfchen am Ausgang der Vorrichtung maximal ist; es kann beliebig in die Zerstäubungsdüse integriert werden oder extern sein.
Das nicht einschränkende Beispiel der 4 stellt eine Vorrichtung dar, die mit einem Automatisierungssystem versehen ist, das in die Zerstäubungsdüse integriert ist; die das System bildenden Elemente sind gleich wie die der 3, mit der Ausnahme, dass das Gewinde 18 des abgeflachten Teils 9, der fest mit dem Kern verbunden ist, weggelassen wird, um durch eine Rückholfeder 14 ersetzt zu werden, die den Kern 11 dazu antreibt, in die divergente Sprühdüse 5 einzudringen; ein Gewinde und eine Schraube 18 erlauben das Einstellen der Spannung der Rückholfeder 11.
Beim Funktionieren der Düse wird der Kern 11 der Kraft der Feder 11 unterworfen, die ihn dazu antreibt, in die Sprühdüse 5 einzudringen, sowie der statischen und der dynamischen Druckkraft des Mischungsstroms. Diese Letzteren hängen direkt mit dem Durchsatz und der Temperatur To des überhitzten Wassers am Eingang der Düse, mit dem Druck P1 am Ausgang und den Ausgangsgefällen der Mantellinien von 5 und 11 zusammen; sie tendieren dazu, den Kern 11 aus der divergenten Sprühdüse 5 zu extrahieren.
Diese entgegen gesetzten Kräfte gleichen sich für eine gegebene Position des Kerns aus. Diese Position kann durch die Schraube 18 bei einem gegebenen Betriebsfall angepasst werden, damit die Mischung aus der Düse mit dem Ausgangsdruck P1 ausgestoßen wird, ohne dass sich eine Stoßwelle in der divergenten Sprühdüse 5 bildet: Die Ausstoßgeschwindigkeit der Mischung entspricht daher der maximalen Ausstoßgeschwindigkeit.
Die Starrheit der Rückholfeder 11 und das Ausgangsgefälle der Sprühdüse 5 werden so definiert, dass diese optimalen Ausstoßbedingungen für alle anderen Betriebsfälle der Düse erzielt werden, ohne dass ein Nachstellen der Schraube 18 erforderlich wäre.
Als Ausführungsbeispiel führt eine Zerstäubungsdüse gemäß 4, die aus den gleichen Elementen wie die des Beispiels der Variante 3 besteht, aber das Positionsautomatisierungssystem des Kerns 11, wie es oben definiert ist, enthält, zu den gleichen Leistungen, ohne dass ein Eingreifen erforderlich ist, wenn der Durchsatz der Düse variiert oder wenn der Druck der Gasumgebung, in der die Flüssigkeit zerstäubt wird, variiert.
VARIANTE 5
Vorrichtung dargestellt auf 5, die es erlaubt, die Varianten 3 und 4 zu verbessern, um ihre Kapazität zu erhöhen und ihre Herstellung zu erleichtern, indem die zylindrischen Einspritzer 4 durch einen ringförmigen Einspritzer 16 ersetzt werden.
Der ringförmige Einspritzer besteht aus dem Freiraum zwischen einer Aushöhlung 16, die zum Beispiel zylindrisch ist, und einem Einspritz-Kern 8; die Art der Befestigung des Einspritz-Kerns auf dem Düsenkörper erlaubt das Zirkulieren der zu zerstäubenden Flüssigkeit in der Düse. Das nicht einschränkende Beispiel der 5 stellt einen zylindrischen Einspritz-Kern 8 versehen mit einem Sockel 9 dar, der Durchgangsöffnungen 10 aufweist, die das Zirkulieren der zu zerstäubenden Flüssigkeit erlauben.
Als Ausführungsbeispiel erlaubt es eine Zerstäubungsdüse gemäß 5, die aus einem Körper aus nicht rostendem Stahl mit Länge 50 mm, einem ringförmigen Einspritzer mit einer Öffnung mit Durchmesser 5 mm und einem Kern mit Durchmesser 4 mm sowie einer divergenten Sprühdüse mit Ausgangsdurchmesser gleich 16 mm besteht, 800 k/h überhitztes Wasser mit 60 bar und 270°C in der Luft, deren Druck P1 von 1 bar A bis 0,1 bar A variiert, zu zerstäuben, wobei die extremen Ausstoßbedingungen wie folgt lauten:

– Für die Luft zu 1 bar A: eine Ausstoßgeschwindigkeit nahe 540 m/s und eine Größe der zerstäubten Partikel nahe 5 Mikrometer bei einer Temperatur gleich 100°C; etwa 30% des Eingangsdurchsatzes an überhitztem Wasser liegen am Ausgang der Düse als Dampf vor.
– Für die Luft mit dem Druck mit 0,1 bar A: eine Ausstoßgeschwindigkeit nahe 700 m/s und eine Größe der zerstäubten Partikel nahe 5 Mikrometer bei einer Temperatur gleich 46°C; etwa 31% des Eingangsdurchsatzes an überhitztem Wasser liegen am Ausgang der Düse als Dampf vor.

VARIANTE 6
Vorrichtung dargestellt auf 6, die es erlaubt, die Varianten 2 und 5 zu verbessern, um ihre Einsatzanpassungsfähigkeit zu erhöhen, indem der Einspritz-Kern 8 des ringförmigen Einspritzers durch einen profilierten Einspritz-Kern 15 mit variablem Querschnitt ersetzt wird, der in die Strömungsrichtung zunimmt und in der Achse der Aushöhlung 4 gleiten kann, wobei der Ausgangsquerschnitt des Einspritzers daher eingestellt werden kann, indem die Position des profilierten Einspritz-Kerns 15 in Bezug auf die Aushöhlung 4 angepasst wird. Das nicht einschränkende Beispiel der 6 stellt einen kegelförmigen profilierten Einspritz-Kern 15 dar. Das nicht einschränkende Beispiel der 7 stellt einen zylindrischen profilierten Einspritz-Kern 15 versehen mit halbzylindrischen externen Zellen 19 dar, die zu der Achse von 15 parallel sind, mit unterschiedlichen Längen, die jeweils einen Durchgangsquerschnitt für die zu zerstäubende Flüssigkeit bilden; die Anzahl der Zellen 19, die auf der Sprühdüse 5 münden, und daher der Durchgangsquerschnitt des Einspritzers hängen direkt von der Position des Kerns 11 in der Sprühdüse 5 ab.
Als Ausführungsbeispiel weist eine Zerstäubungsdüse gemäß 6 mit gleichen Maßen wie die des Ausführungsbeispiels der Variante 5 und mit einem kegelförmigen profilierten Einspritz-Kern mit Extremdurchmesser 4 mm und 5 mm die gleichen Leistungen auf wie die der Variante 5, aber der Durchsatz an zerstäubtem Wasser kann von 100 bis 800 kg/h angepasst werden.
INDUSTRIELLE ANWENDUNGEN DER ERFINDUNG
Die erfindungsgemäße Vorrichtung findet ihre Anwendungen in den folgenden Industrieverfahren:

– chemische Verfahren, die das sehr schnelle Abkühlen von Industriegasen erfordern,
– chemische Verfahren und Nahrungsmittel verarbeitende Industrie, die den Einsatz zerstäubter Flüssigkeiten in Form von Partikeln mit sehr kleinen Maßen erfordern,
– Verfahren, die den Einsatz zerstäubter Flüssigkeiten mit sehr hohen Geschwindigkeiten erfordern: Testanlagen, Energieanlagen, thermokinetische Kompressoren usw.

Claims

Vorrichtung zur Zerstäubung einer überhitzten Flüssigkeit mit einer sehr hohen Geschwindigkeit in die Form von sehr feinen Tröpfchen, wobei die überhitzte Flüssigkeit eine Flüssigkeit betrifft mit einer Temperatur To und einem Druck Po, welcher höher ist als die gesättigte Gasspannung Ps bei To, wobei die Gasspannung Ps selbst höher ist als der Druck P1 der Gasumgebung, in welcher die Flüssigkeit zerstäubt wird, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Düsenkörper (1) umfasst, welcher auf einem Träger (0) befestigt ist und die Zufuhr überhitzter Flüssigkeit ermöglicht, wobei der Düsenkörper einen Kanal (3) umfasst, in dem die überhitzte Flüssigkeit zirkuliert, gefolgt von einer oder mehreren Konvergenz(en) und einem oder mehreren Einspritzer(n) (4), in denen die überhitzte Flüssigkeit auf Geschwindigkeit gebracht wird, um zu münden in einer divergenten Sprühdüse der Entspannung und der Geschwindigkeitsanpassung (5), in der der Flüssigkeitsstrahl teilweise verdampft und augenblicklich durch den Effekt des Druckunterschiedes zwischen der Flüssigkeit und der Umgebung der Sprühdüse explodiert, um eine Mischung aus feinen Tröpfchen und Gas zu bilden, und wobei der Ursprung der divergenten Sprühdüse (5) eine Diskontinuität aufweist, d. h. einen Winkel an seiner Schnittstelle mit dem Einspritzer (4), und der Austrittsquerschnitt dieser Sprühdüse derart dimensioniert ist, dass die Mischung aus der Düse mit dem Druck P1 der externen Umgebung mit maximaler Ausstoß-Geschwindigkeit ausgestoßen wird.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Ausgang des Einspritzers (4) der Winkel zwischen dem Ursprung der divergenten Sprühdüse (5) und den Wänden des Einspritzers einen rechten Winkel bildet.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die divergente Sprühdüse teilweise und komplett in den externen Träger (0) integriert ist.
Vorrichtung zur Zerstäubung einer überhitzten Flüssigkeit mit einer sehr hohen Geschwindigkeit in die Form von sehr feinen Tröpfchen, wobei die überhitzte Flüssigkeit eine Flüssigkeit betrifft mit einer Temperatur To und einem Druck Po, welcher höher ist als die gesättigte Gasspannung Ps bei To, wobei die Gasspannung Ps selbst höher ist als der Druck P1 der Gasumgebung, in welcher die Flüssigkeit zerstäubt wird, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Düsenkörper (1) umfasst, welcher auf einem Träger (0) befestigt ist und die Zufuhr überhitzter Flüssigkeit ermöglicht, wobei der Düsenkörper einen Kanal (3) umfasst, in dem die überhitzte Flüssigkeit zirkuliert, gefolgt von einer Konvergenz und einem ringförmigen einspritzenden Durchgangsabschnitt (16), in dem die überhitzte Flüssigkeit auf Geschwindigkeit gebracht wird, um in einer divergenten Sprühdüse der Entspannung und der Geschwindigkeitsanpassung (5) zu münden, in der der Flüssigkeitsstrahl teilweise verdampft und augenblicklich durch den Effekt des Druckunterschiedes zwischen der Flüssigkeit und der Umgebung der Sprühdüse explodiert, um eine Mischung aus feinen Tröpfchen und Gas zu bilden, wobei der Ursprung der divergenten Sprühdüse (5) eine Diskontinuität aufweist, d. h. einen Winkel an seiner Schnittstelle mit dem ringförmigen Einspritzer (16), und der Austrittsquerschnitt dieser Sprühdüse ist derart dimensioniert, dass die Mischung aus der Düse mit dem Druck P1 der externen Umgebung mit maximaler Ausstoß-Geschwindigkeit ausgestoßen wird.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Einspritzer (16) einen Freiraum zwischen einer Aushöhlung, welche zum Beispiel zylinderförmig sein kann, und einem Einspritz-Kern (8) umfasst, wobei die Art der Befestigung des Einspritz-Kerns auf dem Düsenkörper die Zirkulation der zu zerstäubenden Flüssigkeit in der Düse erlaubt.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen dem Ursprung der divergenten Sprühdüse (5) und der Wand der Aushöhlung an ihrer Schnittstelle ein rechter Winkel ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie es ermöglicht, die Nutzungsmöglichkeiten der Düse zu erhöhen, in dem der Einspritz-Kern (8) des ringförmigen Einspritzers durch einen profilierten Einspritz-Kern (15) mit einem veränderlichen Abschnitt, welcher in Flussrichtung anwächst und welcher entlang der Achse des ringförmigen Einspritzers verschoben werden kann, ersetzt wird, so dass der Austrittsabschnitt des Einspritzers durch Einstellen der Position der profilierten Einspritz-Kerns geregelt werden kann.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 oder 5 oder 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die divergente Sprühdüse teilweise oder komplett in den externen Träger (0) integriert ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie, um es in ein und derselben Zerstäubungsdüse zu ermöglichen, den Durchfluss, den Druck Po oder die Temperatur To der überhitzten Flüssigkeit am Eingang, sowie den Druck P1 der Gasumgebung, in welcher die Flüssigkeit zerstäubt wird, nach Bedarf zu verändern, unter Beibehaltung der maximalen Ausstoß-Geschwindigkeit der zerstäubten Tröpfchen am Ausgang der Vorrichtung, umfasst: – einen profilierten Kern (11), angeordnet in der divergenten Sprühdüse (5), welcher entlang der Achse dieser Sprühdüse verschiebbar ist und durch seine Position den Ausgangsquerschnitt der Sprühdüse regeln kann, wobei die kontinuierlichen und monotonen Profile des Ursprungs der divergenten Sprühdüse (5) und des Kerns (11) es erlauben, in jeder Position des Kerns (11) einen wachsenden Durchfluss-Querschnitt zwischen der Sprühdüse (5) und dem Kern (11) entlang der gesamten Achse der Sprühdüse beizubehalten, und – einen Mechanismus, welcher es erlaubt den Kern (11) zu halten und von außen seine Position relativ zu der Sprühdüse (5) einzustellen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierung des Kerns (11) in der divergierenden Sprühdüse (5) einen Automatismus umfasst, um den Ausgangsquerschnitt der Düse anzupassen, so dass er dem Durchfluss, dem Druck Po und der Temperatur To der überhitzten Flüssigkeit am Eingang, sowie dem Druck P1 der Gasumgebung in welcher die Flüssigkeit zerstäubt wird, entspricht, derart dass die Ausstoß-Geschwindigkeit der zerstäubten Tröpfchen am Ausgang der Vorrichtung immer maximal ist.