EP1915219B1 - Zweistoffzerstäubervorrichtung - Google Patents
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-
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Definitions
- the invention relates to a Zweistoffzerstäubervortechnische for the atomization of a liquid in a gas stream according to the first claim.
- gas-assisted atomizers referred to below as dual-substance atomizers
- the energy necessary for the atomization of the liquid is introduced via the gas (air, steam or inert gases), i. about the relative velocity between gas and liquid.
- the liquid is injected directly into the gas stream and atomized by the gas flow.
- the aforementioned nebulizer group also includes internally mixed bioreactor devices with a coaxial liquid reservoir. They are usually distinguished by a rotationally symmetrical design of the atomizer structure and have a mixing channel arranged in the device, in which the liquid supply and the gas supply flow out and which in turn has an outlet opening to the environment.
- the atomized liquid-gas mixture leaves the outlet as a finished product and is thus different from systems where atomization takes place outside the device (e.g., paint spray guns).
- DE 35 25 161 A1 discloses a corresponding design of the mixing channel outlet of a device for atomizing the liquid or highly viscous fuels.
- a generic two-component atomizer is from the WO 03/024608 known.
- the aforementioned devices have no direct regulation of the injection openings, which in particular during operation, i. allow the nozzle geometry to change without interruption of the atomization.
- the object of the invention is based on the cited prior art to propose a universally applicable Zweistoffzerstäubungsvorraum that does not have the aforementioned limitations and in particular an adaptation to itself during a continuous operation changing conditions such as the device temperature at the Mischkanalwandung permits.
- An essential feature of the invention lies in the controllable adjustability of the injection opening in its geometry, i. in its cross section and thus in its fluidic design.
- This includes the radial cross-section and / or the axial cross-section (flow channel profile), wherein the concept of controllable adjustability focuses primarily on changes to the injection port.
- This also includes a change in the flow conditions (for example, turbulent and laminar flow areas, blocking flows, etc.) at the gas branch or at certain deflections, which naturally change with the counterpressure ratios, which can be adjusted via the geometry of the injection opening.
- the channel cross-section changes not only at the injection opening, but also in the upstream gas guide to the injection opening.
- Both embodiments of the two-component atomizing device comprise a liquid feed 1 in a preferably tubular liquid supply housing 2 with (distal) nozzle opening 3 and a gas supply 4 arranged concentrically around the liquid supply or the liquid supply housing , wherein the nozzle opening ends in the gas supply.
- a liquid feed 1 in a preferably tubular liquid supply housing 2 with (distal) nozzle opening 3 and a gas supply 4 arranged concentrically around the liquid supply or the liquid supply housing , wherein the nozzle opening ends in the gas supply.
- Liquid supply 1, gas supply 4, mixing channel 5 and outlet opening 6 are preferably rotationally symmetrical about a symmetry line 7 .
- a gas branch 8 arranged concentrically to the aforementioned components is provided, which branches off from the gas supply 4 before an input of the liquid, ie before reaching the nozzle opening 3 , and opens into an annular injection opening 11 at the outlet opening 6 .
- the gas branches are realized for example by a plurality of concentrically arranged around the line of symmetry 7 holes 9 in the mixing channel housing 10 .
- the injection opening 11 opens axially and preferably at an acute angle, ie parallel technically feasible to the Mischkanalwandung 12 directly at and around the outlet opening 6 , whereby a sheath flow 13 to the emerging via the outlet opening atomized mixture 14 is formed (see. Fig.1 ) and entrained at the Mischkanalwandung 12 liquid film is entrained.
- the means for adjusting comprise a sleeve nut 15 with bore 16, which is adjustable via a thread relative rotation on a thread 17 on the mixing channel housing 10 .
- Fig.1 discloses means in which the Gewindeschraubkappe 15 on its peripheral surface 19 has a form-fitting fixable and movable profiling 20 .
- the profiling is preferably realized by a toothing, wherein the teeth in the operating state either is driven by a form-fitting, not shown, the profiling attacking chain, belt or gear arrangement of an adjustment.
- frictionally engaging adjusting drives are also suitable, but the frictional engagement would have to be ensured for each operating state that occurs.
- Fig.2 shows by way of example means in which the threaded screw cap 15 is formed by a housing 18 for all other components (1 to 14) of the two-substance atomizing nozzle.
- an adjustment takes place via a rotation of either the aforementioned components of the two-fluid nozzle in the stationary housing 18 or the housing 18 on the thread 17 of the otherwise fixed Zweistoffzerstäuberdüse (components (1 to 14)).
- the outlet opening 11 may lie with the bore 16 on the same plane (eg in Fig.1 ) or staggered (cf. Fig.2 ), wherein a change of these two states, which also significantly determines the direction of inflow, by the aforementioned means during operation is possible.
- the aim of the newly developed two-substance atomizer device is its independent of the operating state application.
- An interpretation of the embodiments was not with respect to avoiding the Mischkanalwandungsbadetzung eg by flow optimization during atomization, which would lead to a limitation of the application area, but virtually only on the elimination of wetting when it occurs as a drop of liquid at the outlet opening.
- This has the advantage that the generation of the actual atomized substance mixture always takes place with the same parameters.
- the basic concept of the internally mixing two-substance atomizer device with coaxial liquid reservoir is retained.
- the core of the invention is only a very small and optimally adjustable in its volume flow during operation part (about 10%, not more than 20%) of the sputtering gas before the mixing channel, ie before the contact of the gas with the liquid in one to lead to the outlet opening 11 coaxial annular gap 21 .
- the gas leaving the annular gap comes into contact outside the two-substance atomizer nozzle with the dripping of the channel wall film and tears it open.
- the essential advantage of this two-component atomizing device is that it optimally optimally adjusts the wall film occurring at the mixing channel wall, ie to atomize it effectively and at the same time economically.
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Description
- Die Erfindung betrifft eine Zweistoffzerstäubervorrichtung für die Zerstäubung einer Flüssigkeit in einem Gasstrom gemäß des ersten Patentanspruchs.
- Bei hohen Zerstäubungsanforderungen bezüglich Sprayqualität, Durchsatz und Regelbereich werden gasgestützte Zerstäuber, die im Folgenden als Zweistoffzerstäubervorrichtungen bezeichnet werden, eingesetzt. Dabei wird die für die Zerstäubung der Flüssigkeit notwendige Energie über das Gas (Luft, Dampf oder Inertgase) eingebracht, d.h. über die Relativgeschwindigkeit zwischen Gas und Flüssigkeit. Üblicherweise wird die Flüssigkeit direkt in den Gasstrom eingespritzt und durch die Gasströmung zerstäubt.
- Zu der vorgenannten Zerstäubergruppe gehören auch innenmischende Zweistoffzerstäubervorrichtungen mit koaxialer Flüssigkeitsvorlage. Sie zeichnen sich meist durch einen rotationssymmetrischen Aufbau des Zerstäuberaufbaus aus und weisen einen in der Vorrichtung angeordnete Mischkanal aus, in der die Flüssigkeitszufuhr und die Gaszufuhr ausmünden und die wiederum eine Austrittsöffnung zur Umgebung aufweist. Das zerstäubte Flüssigkeits-Gas-Gemisch verlässt als fertiges Produkt die Austrittsöffnung und unterscheidet sich damit von Systemen, bei dem die Zerstäubung außerhalb der Vorrichtung stattfindet (z.B. bei Farbspritzpistolen). Typische Vertreter der innenmischenden Zweistoffzerstäubervorrichtung sind Brenner für Verbrennungsanlagen wie z.B. Schweölbrenner oder Vorkammer-Dieselmotoren (Vorkammer= Mischkanal).
- Die große Anzahl von Einflussparametern und fehlende Informationen über die Spraycharakteristik erlauben keine zufrieden stellende Optimierung von Zweistoffzerstäubervorrichtung. Eines der bedeutendsten technischen Probleme das bei den heute eingesetzten innenmischenden Zerstäubervorrichtungen auftritt ist die Wandfilmbildung (Kanalbenetzung) des Mischkanal. Bei bestimmten Betriebsbedingungen besteht die Wahrscheinlichkeit einer zu schnell ablaufenden Aufweitung des Flüssigkeitsstrahls in dem Mischkanal innerhalb der Zerstäubervorrichtung und somit der Bildung eines Wandfilms im Austrittskanal. Dieser Film wird mit der Strömung des Gas-Flüssigkeits-Gemisch zur Austrittsöffnung gedrückt und dort durch die Strömung als größere Tropfen mitgerissen. Insofern wird unmittelbar an der Austrittsöffnung ein Gasströmungszustand angestrebt, der die Tropfen nicht nur mitreißt, sondern auch zerstäubt. Einer dieser Gasströmungszustände wird durch Eindüsung eines Mantelgases für das austretende Gas-Flüssigkeits-Gemisch realisiert.
- In der
DE 199 41 091 A1 wird beispielhaft ein Heizölbrenner mit einer innnenmischenden Zweistoffzerstäuberdüse beschrieben, bei der am Austritt aus dem Mischkanal eine zusätzliche ringförmige Gaseindüsung vorgeschlagen wird. - Auch die
DE 35 25 161 A1 offenbart eine entsprechende Gestaltung des Mischkanalaustritts einer Vorrichtung zur Zerstäubung der flüssigen oder hochviskosen Brennstoffe. - Eine Gattungsbildende Zweistoffzerstäuberdüse ist aus der
WO 03/024608 - Die vorgenannten Vorrichtungen weisen jedoch keine direkte Regelung der Eindüsungsöffnungen auf, die insbesondere eine während des laufenden Betriebs, d.h. ohne Unterbrechung der Zerstäubung erfolgende Änderung der Düsengeometrie zulassen.
- Bislang hat man die geometrischen Parameter von Zweistoffzerstäubungsvorrichtungen mit oder ohne Eindüsung in Bezug auf eine Betriebsbedingung (Gas zu Flüssigkeitsverhältnis, Weber-Zahl, Ohnesorge Zahl) eingestellt. Der wesentliche Nachteil jedoch dabei liegt darin, dass die auf diese Weise ausgelegte Zerstäuberdüse auch an die jeweiligen Betriebsbedingungen gebunden ist. Die eingesetzten innenmischenden Zweistoffzerstäubervorrichtungen weisen somit zwar keine Benetzung des Mischkanals (Wandfilmbildung) für diese Betriebsbedingungen auf, sind aber dadurch auch beschränkt einsetzbar. Ihr Einsatzbereich ist also stark von den Betriebsbedingungen abhängig. Änderungen der Betriebsbedingungen, der Stoffeigenschaften, oder die Verwendung einer anderen Flüssigkeit kann sehr schnell dazu führen, dass eine bestimmte Düse für die Zerstäubung ungeeignet ist.
- Die Aufgabe der Erfindung liegt ausgehend vom genannten Stand der Technik darin, eine universell einsetzbare Zweistoffzerstäubungsvorrichtung vorzuschlagen, die die vorgenannten Einschränkungen nicht aufweist und insbesondere auch eine Anpassung an sich während eines kontinuierlichen Betriebs sich ändernden Rahmenbedingungen wie z.B. die Vorrichtungstemperatur an der Mischkanalwandung zulässt.
- Die Aufgabe wird durch eine Zweistoffzerstäubervorrichtung mit den Merkmalen des ersten Patentanspruchs gelöst. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
- Ein wesentliches Merkmal der Erfindung liegt in der regelbaren Verstellbarkeit der Eindüsungsöffnung in seiner Geometrie, d.h. in seinem Querschnitt und damit in seiner strömungstechnischen Auslegung. Dies umfasst den radialen Querschnitt und / oder den axialen Querschnitt (Strömungskanalprofil), wobei der Begriff der regelbaren Verstellbarkeit sich in erster Linie auf Veränderungen an der Eindüsungsöffnung konzentriert. Es liegt aber im Rahmen der Erfindung, auch die Maßnahmen der Veränderungen der Strömungsverhältnisse an sich mit in den Begriff der Verstellbarkeit mit einzubeziehen, die durch die hierfür eingesetzten Mittel mit verändert werden, auch wenn sie nicht unmittelbar an der Düsenöffnung angreifen. Hierzu zählt auch eine Änderung der Strömungsverhältnisse (z.B. turbulente und laminare Strömungsbereiche, Sperrströmungen etc.) bei der Gasabzweigung oder bei bestimmten Umlenkungen, die sich natürlich mit dem Gegendruckverhältnissen, einstellbar über die Geometrie der Eindüsungsöffnung, ändern. Ebenso ändert sich je nach Ausführungsform auch der Kanalquerschnitt nicht nur an der Eindüsungsöffnung, sondern auch in der vorgelagerten Gasführung zur Eindüsungsöffnung.
- Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen und folgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen
-
Fig.1 eine seitliche Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform sowie -
Fig.2 eine seitliche Schnittdarstellung einer alternativen Ausführungsform. - Beide Ausführungsformen der Zweistoffzerstäubervorrichtung umfassen eine Flüssigkeitszufuhr 1 in einem bevorzugt rohrartigen Flüssigkeitszufuhrgehäuse 2 mit (distalseitigem) Düsenöffnung 3 und ein konzentrisch um die Flüssigkeitszufuhr bzw. des Flüssigkeitszufuhrgehäuse angeordnete Gaszufuhr 4, wobei die Düsenöffnung in der Gaszufuhr endet. In Verlängerung dieser Stoffzusammenführung folgt stromabwärts (distal) der Mischkanal 5, in der sich die vorgenannten Stoffe (Gas und Flüssigkeit) vermischen und über eine (distalseitige) Austrittsöffnung 6 wieder verlassen. Flüssigkeitszufuhr 1, Gaszufuhr 4, Mischkanal 5 und Austrittsöffnung 6 sind bevorzugt um eine Symmetrielinie 7 rotationssymmetrisch. Ferner ist eine konzentrisch zu den vorgenannten Komponenten angeordnete Gasabzweigung 8 vorgesehen, die von der Gaszufuhr 4 vor einer Eingabe der Flüssigkeit, d.h. vor Erreichen der Düsenöffnung 3 abzweigt und in eine ringförmige Eindüsungsöffnung 11 an der Austrittsöffnung 6 ausmündet. In
Fig.1 und 2 sind die Gasabzweigungen beispielsweise durch eine Vielzahl von konzentrisch um die Symmetrielinie 7 angeordneten Bohrungen 9 im Mischkanalgehäuse 10 realisiert. Die Eindüsungsöffnung 11 mündet axial und bevorzugt in einem spitzen Winkel, d.h. parallel soweit technisch umsetzbar zur Mischkanalwandung 12 direkt an der und um die Austrittsöffnung 6 aus, wodurch eine Mantelströmung 13 um die über die Austrittsöffnung auftretende zerstäubte Stoffgemisch 14 entsteht (vgl.Fig.1 ) und die sich an der Mischkanalwandung 12 abgeschiedene Flüssigkeitsfilm mitgerissen wird. - Die Mittel zur Verstellung umfassen eine Hülsenmutter 15 mit Bohrung 16, die über eine Gewinderelativdrehung auf einem Gewinde 17 auf dem Mischkanalgehäuse 10 verstellbar ist.
-
Fig.1 offenbart Mittel, bei denen die Gewindeschraubkappe 15 an seiner Umfangsfläche 19 eine formschlüssig fixier- und bewegbare Profilierung 20 aufweist. Die Profilierung ist vorzugsweise durch eine Verzahnung realisiert, wobei die Verzahnung im Betriebszustand entweder durch eine nicht dargestellte formschlüssig an, die Profilierung angreifende Ketten-, Riemen- oder Zahnradanordnung eines Verstellantriebs angetrieben wird. Grundsätzlich eignen sich auch reibschlüssig angreifende Verstellantriebe, wobei jedoch der Reibschluss bei jedem auftretenden Betriebszustand sicherzustellen wäre. -
Fig.2 zeigt beispielhaft Mittel, bei denen die Gewindeschraubkappe 15 durch ein Gehäuse 18 für alle anderen Komponenten (1 bis 14) der Zweistoffzerstäuberdüse gebildet wird. Im laufenden Betrieb erfolgt eine Verstellung über eine Verdrehung entweder der vorgenannten Komponenten der Zweistoffdüse im feststehenden Gehäuse 18 oder des Gehäuses 18 auf dem Gewinde 17 der ansonsten feststehenden Zweistoffzerstäuberdüse (Komponenten (1 bis 14)). - Die Austrittsöffnung 11 kann mit der Bohrung 16 auf gleicher Ebene liegen (z.B. in
Fig.1 ) oder versetzt angeordnet sein (vgl.Fig.2 ), wobei ein Wechsel dieser beiden Zustände, die auch maßgeblich die Einströmungsrichtung bestimmt, durch die vorgenannten Mittel während des laufenden Betriebs ermöglichbar ist. - Ziel der neu entwickelten Zweistoffzerstäubervorrichtung ist dessen vom Betriebszustand unabhängige Einsatzmöglichkeit. Eine Auslegung der Ausführungsbeispiele erfolgte nicht hinsichtlich einer Vermeidung der Mischkanalwandungsbenetzung z.B. durch Strömungsoptimierung bei der Zerstäubung, was eine Einschränkung des Einsatzbereiches führen würde, sondern praktisch nur auf die Beseitigung der Benetzung wenn diese als Flüssigkeitstropfen an der Austrittsöffnung auftritt. Dies hat den Vorteil, dass die Erzeugung des eigentlichen zerstäubten Stoffgemisches immer mit gleichen Paramteren erfolgt. Das Grundkonzept der innenmischenden Zweistoffzerstäubervorrichtung mit koaxialer Flüssigkeitsvorlage bleibt dabei erhalten. Der Kern der Erfindung liegt darin, nur einen möglichst geringen und in seinem Volumenstrom während des laufenden Betriebs optimal einstellbaren Teil (ca. 10 %, maximal 20 %) des Zerstäubungsgases vor dem Mischkanal, d.h. vor dem Kontakt des Gases mit der Flüssigkeit, in einem zu der Austrittsöffnung 11 koaxialen Ringspalt 21 zu führen. Das aus dem Ringspalt austretende Gas kommt außerhalb der Zweistoffzerstäuberdüse in Kontakt mit dem von der Kanalwand abtropfenden Film und reißt ihn auf. Der wesentliche Vorteil dieser Zweistoffzerstäubervorrichtung liegt darin den auftretenden Wandfilm an der Mischkanalwandung auf besonders optimal eingestellt, d.h. effektiv und gleichzeitig wirtschaftlich zu zerstäuben.
-
- 1
- Flüssigkeitszufuhr
- 2
- Flüssigkeitszufuhrgehäuse
- 3
- Düsenöffnung
- 4
- Gaszufuhr
- 5
- Mischkanal
- 6
- Austrittsöffnung
- 7
- Symmetrielinie
- 8
- Gasabzweigung
- 9
- Bohrung
- 10
- Mischkanalgehäuse
- 11
- Eindüsungsöffnung
- 12
- Mischkanalwandung
- 13
- Mantelströmung
- 14
- zerstäubte Stoffgemisch
- 15
- Gewindeschraubkappe
- 16
- Bohrung
- 17
- Gewinde
- 18
- Gehäuse
- 19
- Umfangsfläche
- 20
- Profilierung
- 21
- Ringspalt
Claims (5)
- Zweistoffzerstäubervorrichtung für die Zerstäubung einer Flüssigkeit in einem Gasstrom umfassend einea) eine Flüssigkeitszufuhr (1) mit Düsenöffnung (3),b) ein konzentrisch um die Flüssigkeitszufuhr angeordnete Gaszufuhr (4), wobei die Düsenöffnung in der Gaszufuhr endet,c) einen rotationssymmetrische Mischkanal (5) in axialer Verlängerung zur Flüssigkeitszufuhr mit einer Austrittsöffnung (6),d) eine konzentrische Gasabzweigung (8) von der Gaszufuhr (4) vor der Düsenöffnung (3) sowiee) eine ringförmige Eindüsungöffnung (11) an der Austrittsöffnung (6), die an die Gasabzweigung angeschlossen ist,
dadurch gekennzeichnet, daßf) Mittel zur Verstellung des Querschnitts der Eindüsungsöffnung (11) vorgesehen sind. - Zweistoffzerstäubervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Gasabzweigung (8) durch eine Anzahl konzentrisch verteilter Bohrungen (9) im Mischkanalgehäuse (10) gebildet ist
- Zweistoffzerstäubervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Mittel eine über eine Gewinderelativdrehung verstellbare Gewindeschraubkappe (15) mit zentraler die Austrittsöffnung (11) bildenden Bohrung (16) konzentrisch auf einem Gewinde (17) auf dem Mischkanalgehäuse (10) umfassen.
- Zweistoffzerstäubervorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Gewindeschraubkappe (15) durch ein Gehäuse (18) für alle anderen Komponenten der Zweistoffzerstäuberdüse gebildet wird.
- Zweistoffzerstäubervorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Gewindeschraubkappe (15) an seiner Umfangsfläche (19) eine formschlüssig fixier- und bewegbare Profilierung (20) aufweist.
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