EP2444161B1

EP2444161B1 - Zweistoffzerstäubungsdüse

Info

Publication number: EP2444161B1
Application number: EP11195368.3A
Authority: EP
Inventors: Dieter Wurz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-10-07
Filing date: 2006-10-06
Publication date: 2015-12-16
Anticipated expiration: 2026-10-06
Also published as: WO2007042210A1; US8028934B2; EP2444161A1; PL1931478T3; RU2441710C2; DE102005048489A1; ES2421923T3; EP1931478B1; US20090166448A1; CN101287555A; CN101287555B; RU2008117344A; EP1931478A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Zweistoffzerstäubungsdüse zum Versprühen einer Flüssigkeit unter Zuhilfenahme eines Druckgases mit einer Mischkammer, einem in die Mischkammer mündenden Flüssigkeitseinlass, einem in die Mischkammer mündenden Druckgaseinlass und einer Austrittsöffnung stromabwärts der Mischkammer, wobei ein die Austrittsöffnung umgebender Ringspalt zum Austreten von Druckgas vorgesehen ist und wobei die Austrittsöffnung mittels einer umlaufenden Wandung gebildet ist, deren äußerstes Ende eine Austrittskante bildet, und wobei der Ringspalt im Bereich der Austrittskante angeordnet ist.
Aus der internationalen Patentveröffentlichung WO 2004/096446 ist eine gattungsgemäße Zweistoffzerstäubungsdüse bekannt. Ein Geleit-Gasstrahl tritt aus einem die Austrittsöffnung der Düse umgebenden Spalt aus, um zu vermeiden, dass ein aus der Austrittsöffnung der Düse austretender Gas-Tropfen-Strahl abgebremst wird. Im Austritt der Düse sollen sich der Anfangsdurchmesser des Gas-Tropfen-Strahls und der Durchmesser des Geleit-Gasstrahls stark unterscheiden. Zielsetzung der dort beschriebenen Zweistoffzerstäubungsdüse ist, mittels des Geleit-Gasstrahl eine Abbremsung des Gas-Tropfen-Strahls bis in eine bestimmte Entfernung zu vermeiden, um so die Reichweite des Gas-Tropfen-Strahls zu erhöhen.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 200 59 27 ist eine Zweistoffdüse bekannt, bei der innerhalb der Düse zunächst ein schlauchförmiges Strömungsprofil gebildet werden soll, wobei im Innenraum des schlauchförmigen Strömungsprofils die Luft geführt wird. Das schlauchförmige Strömungsprofil wird durch Einleiten eines Teilstroms in den Flüssigkeitskanal der Düse erreicht, wobei dieser Teilstrom der Luft nach Erzeugen des schlauchförmigen Strömungsprofils dann in dessen Innenraum geführt wird. Aus einem Ringraum soll im Bereich der Austrittsöffnung Druckgas austreten, das dann die Wände des erzeugten schlauchartigen Strömungsprofils in Tropfen zerlegt. Die beschriebene Zweistoffdüse stellt dadurch eine Zweistoffdüse mit Außenmischung dar, da eine Zerlegung der Tropfen erst außerhalb der Düse erfolgt.
In der US-Patentschrift US 1,451,063 ist eine Ölbrennerdüse beschrieben, bei der Öl unter Zuhilfenahme von Druckluft zerstäubt werden soll. Die beschriebene Düse weist eine Mischzone auf, in deren Wand zahlreiche Luftaustrittsöffnungen vorgesehen sind. Die Luftaustrittsöffnungen in der die Mischzone umgebenden Innenwand verhindern die Bildung eines Flüssigkeitsfilms auf dieser Innenwand.
In vielen verfahrenstechnischen Anlagen werden Flüssigkeiten in einem Gas verteilt. Dabei ist es häufig von entscheidender Bedeutung, dass die Flüssigkeit in möglichst feinen Tropfen versprüht wird. Je feiner die Tropfen sind, umso größer ist die spezifische Tropfenoberfläche. Daraus können sich erhebliche verfahrenstechnische Vorteile ergeben. So hängen beispielsweise die Größe eines Reaktionsbehälters und seiner Herstellungskosten erheblich von der mittleren Tropfengröße ab. Aber vielfach ist es keinesfalls ausreichend, dass die mittlere Tropfengröße einen bestimmten Grenzwert unterschreitet. Schon einige wenige wesentlich größere Tropfen können zu erheblichen Betriebsstörungen führen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Tropfen aufgrund ihrer Größe nicht schnell genug verdunsten, so dass noch Tropfen oder auch teigige Partikel in nachfolgenden Komponenten, z.B. auf Gewebefilterschläuchen oder Gebläseschaufeln, abgeschieden werden und zu Betriebsstörungen durch Inkrustierungen oder Korrosion führen.
Um Flüssigkeiten fein zu versprühen, kommen entweder Hochdruckeinstoffdüsen oder Mitteldruckzweistoffdüsen zum Einsatz. Ein Vorteil von Zweistoffdüsen liegt darin, dass sie relativ große Strömungsquerschnitte aufweisen, so dass auch grobpartikelhaltige Flüssigkeiten versprüht werden können.
Die Darstellung der Fig. 1 zeigt eine Zweistoffdüse mit Innenmischung nach dem Stand der Technik. Ein grundsätzliches Problem resultiert bei solchen Düsen daraus, dass die Wände der Mischkammer 7 mit Flüssigkeit benetzt sind. Die Flüssigkeit, welche die Wand in der Mischkammer 7 benetzt, wird von den Schubspannungs- und den Druckkräften als Flüssigkeitsfilm 20 zum Düsenmund hingetrieben. Man ist versucht anzunehmen, dass die Wände zum Düsenmund hin infolge hoher Strömungsgeschwindigkeit der Gasphase trocken geblasen werden und dass dabei aus dem Flüssigkeitsfilm nur sehr feine Tropfen gebildet werden. Theoretische und experimentelle Arbeiten eines der Erfinder, siehe das angefügte Literaturverzeichnis, haben jedoch gezeigt, dass Flüssigkeitsfilme auf Wänden selbst dann noch als stabile Filme ohne Tropfenbildung existent sein können, wenn die Gasströmung, welche die Flüssigkeitsfilme zum Düsenmund treibt, Überschallgeschwindigkeit erreicht. Und dies ist ja auch der Grund dafür, dass es möglich ist, in Raketenschubdüsen eine Flüssigkeitsfilmkühlung anzuwenden.
Die Flüssigkeitsfilme 20, die von der Gasströmung zum Düsenmund 8 getrieben werden, können aufgrund der Adhäsionskräfte sogar um eine scharfe Kante am Düsenmund herumwandern. Sie bilden an der Außenseite des Düsenmundes 8 einen Wasserwulst 12. Von diesem Wasserwulst 12 lösen sich Randtropfen 13 ab, deren Durchmesser ein Vielfaches des mittleren Durchmessers der Tropfen im Strahlkern oder Kernstrahl 21 beträgt. Und obwohl diese großen Randtropfen nur einen kleinen Massenanteil beitragen, sind sie letztlich bestimmend für die Abmessungen eines Behälters, in welchem beispielsweise die Temperatur eines Gases durch Verdampfungskühlung von 350°C auf 120°C abgesenkt werden soll, ohne dass es zu einem Eintrag von Tropfen in ein nachgeschaltetes Gebläse oder nachgeschaltete Gewebefilter kommt.
In die in Fig. 1 dargestellte Düse nach dem Stand der Technik wird eine Flüssigkeit parallel zu einer Mittellängsachse 24 in Richtung des Pfeiles 1 eingeleitet. Die Flüssigkeit wird durch ein konzentrisch zur Mittellängsachse 24 verlaufendes Lanzenrohr 2 geführt und tritt an einem Flüssigkeitseinlass 10 in eine Mischkammer 7 ein. Das Lanzenrohr 2 und die Mischkammer 7 werden konzentrisch von einer Ringkammer 6 umgeben, die mittels eines weiteren Lanzenrohrs 4 für die Zuleitung des Druckgases zur Zweistoffdüse gebildet ist. In diese Ringkammer 6 wird Druckgas gemäß dem Pfeil 15 eingeführt. Eine in Bezug auf die Mittellängsachse 24 radiale Umfangswand der Mischkammer 7 weist mehrere Druckgaseinlässe 5 auf, die radial zur Mittellängsachse 24 angeordnet sind. Durch diese Druckgaseinlässe 5 kann Druckgas im rechten Winkel zu dem durch den Flüssigkeitseinlass 10 eintretenden Flüssigkeitsstrahl in die Mischkammer 7 eintreten, so dass in der Mischkammer 7 ein Flüssigkeit/Luftgemisch gebildet wird. An die Mischkammer 7 schließt sich eine kegelstumpfförmige Verengung 3 an, die einen konvergenten Austrittsabschnitt bildet, auf die nach einem engsten Querschnitt 14 wiederum eine kegelstumpfförmige Erweiterung 9 folgt, die einen divergenten Austrittsabschnitt bildet. Die kegelstumpfförmige Erweiterung 9 endet an der Austrittsöffnung oder dem Düsenmund 8.
Mit der Erfindung soll eine Zweistoffzerstäubungsdüse bereitgestellt werden, bei der ein gleichmäßig feines Tropfenspektrum sowohl im Randbereich als auch im Strahlkern erzielt werden kann.
Erfindungsgemäß ist hierzu eine Zweistoffzerstäubungsdüse zum Versprühen einer Flüssigkeit unter Zuhilfenahme eines Druckgases mit einer Mischkammer, einem in die Mischkammer mündenden Flüssigkeitseinlass, einem in die Mischkammer mündenden Druckgaseinlass und einer Austrittsöffnung stromabwärts der Mischkammer vorgesehen, wobei ein die Austrittsöffnung umgebender Ringspalt zum Austreten von Druckgas mit hoher Geschwindigkeit vorgesehen ist, wobei die Austrittsöffnung mittels einer umlaufenden Wandung gebildet ist, deren äußerstes Ende eine Austrittskante bildet und wobei der Ringspalt im Bereich der Austrittskante angeordnet ist, wobei die Mischkammer, der Flüssigkeitseinlass und der Druckgaseinlass so ausgebildet und angeordnet sind, dass ein Flüssigkeitsfilm an der Wandung des Düsenmundes existiert und der Ringspalt und die Austrittskante so ausgebildet sind, dass das Druckgas unmittelbar im Bereich der Austrittskante mit hoher Geschwindigkeit aus dem Ringspalt austritt und den Flüssigkeitsfilm an der Austrittskante zu einer sehr dünnen Flüssigkeitslamelle auszieht und diese dann in feine Tropfen zerteilt.
Durch Vorsehen des die Austrittsöffnung umgebenden Ringspaltes, der mit Zerstäubungsgas, z.B. Luft oder Wasserdampf, beaufschlagt wird, wird ein Flüssigkeitsfilm an der Wandung des Düsenmundes, insbesondere des divergenten Austrittsabschnitts zu einer sehr dünnen Flüssigkeitslamelle ausgezogen, die in kleine Tropfen zerfällt. Auf diese Weise kann die Bildung großer Tropfen aus Wandflüssigkeitsfilmen im Düsenaustrittsbereich verhindert bzw. auf ein erträgliches Maß reduziert werden und gleichzeitig kann das feine Tropfenspektrum im Strahlkern erhalten werden, ohne dass hierfür der Druckgasverbrauch der Zweistoffdüse bzw. der hiermit verknüpfte Eigenenergiebedarf erhöht werden müsste. Experimentelle Untersuchungen der Erfinder haben gezeigt, dass durch Vorsehen eines Ringspaltes die maximale Tropfengröße bei gleichem Energieaufwand auf ca. ein Drittel reduziert werden kann. Dies mag als geringer Effekt eingestuft werden. Es ist aber zu bedenken, dass das Volumen eines Tropfens mit einem um den Faktor 3 reduzierten Durchmesser nur ein Siebenundzwanzigstel des großen Tropfens beträgt. Ohne hier in die allbekannten Zusammenhänge einzusteigen, sollte dem Fachmann klar sein, dass hieraus erhebliche Vorteile bezüglich des erforderlichen Bauvolumens von Verdampfungskühlern bzw. von Sorptionsanlagen z.B. für die Rauchgasreinigung resultieren. Mit der zusätzlichen Ringspaltverdüsung kann also bei gleichem Energieaufwand ein wesentlich feineres Tropfenspektrum erzeugt werden. Vorteilhafterweise beträgt die Ringspaltluftmenge 10% bis 40% der Gesamtzerstäubungsluftmenge. Bei verfahrenstechnischen Anlagen, bei denen in Behälter oder Kanäle eingedüst wird, die näherungsweise auf dem Druck der Umgebung liegen (1bar), beträgt der Totaldruck der Luft im Ringspalt vorteilhafterweise 1,5 bar bis 2,5 bar absolut. Der Totaldruck der Luft im Ringspalt müsste vorteilhafterweise so hoch sein, dass bei Expansion auf das Druckniveau im Behälter näherungsweise Schallgeschwindigkeit erreicht wird.
Das aus dem Ringspalt mit hoher Geschwindigkeit austretende Druckgas kann unmittelbar im Bereich der Austrittskante austreten und dadurch zuverlässig dafür sorgen, dass ein Flüssigkeitsfilm am Düsenmund zu einer sehr dünnen Flüssigkeitslamelle ausgezogen wird, die dann in feine Tropfen zerteilt wird.
In Weiterbildung der Erfindung ist der Ringspalt zwischen der Austrittskante und einer äußeren Ringspaltwandung gebildet.
Auf diese Weise kann die Austrittskante selbst zur Bildung des Ringspaltes verwendet werden. Dies vereinfacht den Aufbau der erfindungsgemäßen Zweistoffzerstäubungsdüse.
In Weiterbildung der Erfindung ist ein äußeres Ende der Ringspaltwandung durch eine Ringspaltwandungskante gebildet und die Ringspaltwandungskante ist in Ausströmrichtung gesehen nach der Austrittskante angeordnet. Vorteilhafterweise ist die Ringspaltwandungskante zwischen 5% und 20% des Durchmessers der Austrittsöffnung nach der Austrittskante angeordnet.
Auf diese Weise lässt sich die Entstehung grober Flüssigkeitstropfen an der Berandung der Austrittsöffnung besonders zuverlässig verhindern.
In Weiterbildung der Erfindung sind Steuermittel und/oder wenigstens zwei Druckgasquellen vorgesehen, so dass ein Druck des dem Ringspalt zugeführten Druckgases und ein Druck des durch den Druckgaseinlass in die Mischkammer mündenden Druckgases unabhängig voneinander einstellbar ist.
Getrennte Rohrleitungen zur Beaufschlagung der Mischkammer mit Druckgas und zur Beaufschlagung des Ringspaltes mit Druckgas bieten insofern Vorteile, als der Druck in einer dem Ringspalt vorgeschalteten Spaltluftkammer dann unabhängig vom Druck des Zerstäubungsgases, das der Mischkammer zugeleitet wird, vorgegeben werden kann. Dies ist dann im Hinblick auf den Eigenenergiebedarf von Bedeutung, wenn Kompressoren mit unterschiedlichem Gegendruck bzw. Dampfnetze mit passenden unterschiedlichen Drücken in einer Anlage zur Verfügung stehen. In der Regel wird jedoch nur ein Druckgasnetz mit einem einzigen Druck verfügbar sein. In diesem Fall können beispielsweise Druckminderer verwendet werden. Bei Versorgung des Ringspaltes über eine getrennte Leitung mit Druckgas wird die Ringspaltluftmenge über getrennte Ventile unabhängig von der Kernstrahlluftmenge, die in die Mischkammer eingeleitet wird, eingestellt.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Mischkammer von einer Ringkammer zum Zuführen des Druckgases wenigstens abschnittsweise umgeben und eine dem Ringspalt vorgeschaltete Spaltluftkammer steht mit der Ringkammer in Strömungsverbindung.
Wenn nur ein Gasnetz mit einem einzigen Druck verfügbar ist, ist es notwendig, das dem Ringspalt zugeführte Zerstäubungsgas demselben Netz zu entnehmen. Die Konfiguration der Zweistoffzerstäubungsdüse kann dann dadurch vereinfacht werden, dass man das dem Ringspalt zugeführte Zerstäubungsgas aus dem Ringraum entnimmt, aus dem die Mischkammer mit Zerstäubungsgas gespeist wird. Durch eine geeignete Bemessung der Strömungsverbindung zwischen Ringkammer und Spaltluftkammer kann der Energiebedarf der erfindungsgemäßen Düse minimiert werden. Die Strömungsverbindung wird beispielsweise mittels Bohrungen in einer Trennwand zwischen Ringkammer und Spaltluftkammer gebildet, die im Querschnitt, auch im Verhältnis zu den einen Druckgaseinlass in die Mischkammer bildenden Bohrungen, geeignet zu bemessen sind.
In Weiterbildung der Erfindung ist eine die Austrittsöffnung und den Ringspalt wenigstens abschnittsweise umgebende Schleierluftdüse vorgesehen.
Das Vorsehen einer Schleierluftdüse führt zu einer weiteren Verbesserung des Sprühbildes der erfindungsgemäßen Zweistoffzerstäubungsdüse, insbesondere können Rückstromwirbel vermieden werden, durch welche Tropfen und staubhaltiges Gas miteinander vermischt werden und zu störenden Ablagen am Düsenmund führen.
In Weiterbildung der Erfindung weist die Schleierluftdüse einen die Austrittsöffnung und den Ringspalt umgebenden Schleierluftringspalt auf, dessen Austrittsfläche sehr viel größer ist als eine Austrittsfläche des Ringspalts. Vorteilhafterweise wird die Schleierluftdüse mit Druckgas gespeist, dessen Druck wesentlich geringer ist als ein Druck des dem Ringspalt zugeführten Druckgases.
Auf diese Weise kann die Schleierluftdüse, die den Düsenmund ringförmig umschließt, energiesparend mit Luft geringen Druckes beaufschlagt sein. Dies ist deshalb sehr wichtig, weil der Schleierluftringspalt der Schleierluftdüse zur Vermeidung eines Rückstromwirbels sehr viel größer bemessen sein muss als der Ringspalt für die Flüssigkeitsfilmzerstäubung.
In Weiterbildung der Erfindung sind Mittel vorgesehen, um einem Gemisch aus Druckgas und Flüssigkeit in der Mischkammer einen Drall um eine Mittellängsachse der Düse aufzuprägen.
Dadurch, dass es mit der erfindungsgemäßen Zweistoffzerstäubungsdüse durch die zusätzliche Ringspaltzerstäubung möglich ist, den Flüssigkeitsfilm, der im Düsenaustrittsteil auf der Innenwand existiert, am Düsenmund zu kleinen Tropfen zu versprühen, bieten sich weitere interessante Ansatzpunkte für die Düsengestaltung. Insbesondere ist es hiermit zulässig, der Zweiphasenströmung in der Mischkammer und somit auch im Austrittsteil der Düse einen Drall aufzuprägen. Dadurch werden zwar etwas mehr Tropfen auf die Innenwand des Austrittsteils geschleudert. Aber dies ist wegen der sehr effizienten Ringspaltverdüsung nicht schädlich. Ein Vorteil der Verdrallung liegt darin, dass sich eine verdrallte Strömung in der Mischkammer und im Austrittsteil eher zentrisch symmetrisch einstellt. Dies ist mit herkömmlichen Zweistoffdüsen mit Innenmischung kaum zu erreichen und hat bisher dazu geführt, dass bereichsweise am Düsenmund besonders viele große Tropfen gebildet wurden. Im Ergebnis kann die mittlere Tropfengröße durch Verdrallung des Kernstrahls erheblich reduziert werden.
In Weiterbildung der Erfindung weist der Druckgaseinlass wenigstens eine in die Mischkammer mündende erste Einlassbohrung auf, die tangential zu einem Kreis um eine Mittellängsachse der Düse zur Erzeugung eines Dralls in einer ersten Richtung ausgerichtet ist.
Durch Vorsehen tangentialer Einlassbohrungen kann auf einfache und wenig verstopfungsempfindliche Weise ein Drall in der Mischkammer erzeugt werden.
In Weiterbildung der Erfindung sind in einer ersten Ebene senkrecht zur Mittellängsachse und in Umfangsrichtung beabstandet mehrere, insbesondere vier, erste Einlassbohrungen vorgesehen.
Durch gleichmäßig voneinander beabstandete Anordnung solcher tangentialer Einlassbohrungen lässt sich ein deutlicher Drall in der Mischkammer erzielen.
In Weiterbildung der Erfindung ist parallel zur Mittellängsachse von der ersten Einlassbohrung beabstandet wenigstens eine zweite Einlassbohrung vorgesehen, die tangential zu einem Kreis um die Mittellängsachse der Düse zur Erzeugung eines Dralls in einer zweiten Richtung ausgerichtet ist.
Auf diese Weise können in den unterschiedlichen Ebenen der Einlass-oder Zuluftbohrung gegenläufige Drallrichtungen in der Mischkammer aufgeprägt werden. Durch gegenläufige Drallrichtungen werden in der Mischkammer stark ausgeprägte Scherschichten erzeugt, die zur Bildung besonders feiner Tropfen beitragen.
In Weiterbildung der Erfindung sind in einer zweiten Ebene senkrecht zur Mittellängsachse und in Umfangsrichtung beabstandet mehrere, insbesondere vier, zweite Einlassbohrungen vorgesehen.
In Weiterbildung der Erfindung sind wenigstens drei parallel zur Mittellängsachse voneinander beabstandete Ebenen mit Einlassbohrungen vorgesehen, wobei die Einlassbohrungen aufeinanderfolgender Ebenen einen entgegengesetzt gerichteten Drall erzeugen.
Beispielsweise kann eine vom Flüssigkeitseintritt her gezählte erste Ebene linksdrehende Einlassbohrungen, die zweite Ebene rechtsdrehende Einlassbohrungen und die dritte Ebene wieder linksdrehende Einlassbohrungen aufweisen. Durch die gegenläufigen Drallrichtungen werden in der Mischkammer stark ausgeprägte Scherschichten erzeugt, die zur Bildung besonders feiner Tropfen beitragen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Dabei können Einzelmerkmale der einzelnen dargestellten Ausführungsformen in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: eine Zweistoffzerstäubungsdüse gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 2: eine Zweistoffzerstäubungsdüse gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2a: eine vergrößerte Einzelheit der Fig. 2,
Fig. 3: eine Schnittansicht einer Zweistoffzerstäubungsdüse gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 4: eine abschnittsweise Schnittansicht der Düse der Fig. 2, in der unterschiedliche Schnittebenen markiert sind,
Fig. 5: eine Schnittansicht auf die Ebene I der Fig. 4,
Fig. 6: eine Schnittansicht auf die Ebene II der Fig. 4 und
Fig. 7: eine Schnittansicht auf die Ebene III der Fig. 4.

Die Schnittansicht der Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Zweistoffzerstäubungsdüse 30 gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform. Die Zweistoffzerstäubungsdüse 30 gemäß der Erfindung ist, jedenfalls was die Einleitung der Flüssigkeit und des Druckgases in die Mischkammer sowie die Formgebung der Düse anschließend an die Mischkammer angeht, ähnlich zu der bekannten Düse gemäß Fig. 1 aufgebaut. Eine zu zerstäubende Flüssigkeit wird in Richtung eines Pfeiles 32 über ein parallel zu einer Mittellängsachse 36 der Düse 30 verlaufendes inneres Lanzenrohr 34 zugeführt und gelangt zu einem Flüssigkeitseinlass 38, der gegenüber dem Rohr 34 einen verringerten Querschnitt aufweist. Nach Passieren des Flüssigkeitseinlasses 38 gelangt die Flüssigkeit dann in Form eines konzentrisch zur Mittellängsachse 36 verlaufenden Flüssigkeitsstrahles in die zylindrische und konzentrisch zur Mittellängsachse 36 angeordnete Mischkammer 40. Das Rohr 34 und die Mischkammer 40 sind von einer Ringkammer 42 umgeben, die durch den Zwischenraum zwischen einem äußeren Lanzenrohr 43 und dem inneren Lanzenrohr 34 gebildet ist und in die in Richtung eines Pfeiles 44 Druckgas, beispielsweise Druckluft, eingeleitet wird. Eine konzentrisch zur Mittellängsachse 36 verlaufende Umfangswandung der Mischkammer 40 weist mehrere Einlassöffnungen 46a, 46b, 46c auf, die alle zusammen einen Druckgaseinlass in die Mischkammer 40 bilden, also zur Zuführung der sogenannten Kernluft. Die Druckgaseinlassöffnungen 46 sind in Richtung der Mittellängsachse 36 sowie auch in Umfangsrichtung versetzt zueinander angeordnet. Dadurch wird Druckgas in unterschiedlichen Schichten in die Mischkammer 40 eingeleitet. Die genaue Anordnung der Druckgaseinlassöffnungen 46 wird nachfolgend noch anhand der Fig. 4 bis 7 erläutert.
Anschließend an die Mischkammer 40 ist eine kegelstumpfförmige Verengung 48 vorgesehen, die einen konvergenten Austrittsteil bildet und die nach Passieren eines engsten Querschnittes wieder in eine kegelstumpfförmige Erweiterung mit geringerem Öffnungswinkel übergeht, die einen divergenten Austrittsteil bildet. Der divergente Austrittsteil endet an einer Austrittsöffnung 52 oder einem Düsenmund. Die Austrittsöffnung 52 wird durch eine umlaufende Austrittskante 54 gebildet, die das in Strömungsrichtung abwärts gelegene Ende des Austrittsteils bildet.
Die kegelstumpfförmige Verengung 48 und die kegelstumpfförmige Erweiterung 50 sind von einem trichterartigen Bauteil 56 umgeben, so dass zwischen dem trichterartigen Bauteil 56 und einer Außenwand des Austrittsteils eine Ringspaltluftkammer 58 gebildet ist. Diese Ringspaltluftkammer 58 wird mittels mehrerer Einlassbohrungen 60 aus der Ringkammer 42 mit Druckgas versorgt. Ein in der Darstellung der Fig. 2 unteres Ende des trichterförmigen Bauteils 56 ist durch eine Ringspaltwandungskante 62 gebildet, die um die Austrittsöffnung 52 umläuft. Zwischen der Ringspaltwandungskante 62 und der Austrittskante 54 ist ein die Austrittsöffnung 52 umgebender Ringspalt 64 gebildet, der damit die Austrittsöffnung 52 ringförmig umgibt.
Durch diesen Ringspalt 64, der in der Darstellung der Fig. 2a noch einmal vergrößert dargestellt ist, tritt Druckgas mit hoher Geschwindigkeit aus. Auf diese Weise wird ein Flüssigkeitsfilm 66, der sich an einer Innenwandung der kegelförmigen Erweiterung 50 ausbildet, an der Austrittsöffnung 52 dieses divergenten Düsenaustrittsteiles zu einer sehr dünnen Flüssigkeitslamelle 68 ausgezogen, die in kleine Tropfen zerfällt. Experimentelle Untersuchungen der Erfinder haben gezeigt, dass auf diese Weise die maximale Tropfengröße der Zweistoffzerstäubungsdüse 30 bei gegenüber der Düse nach dem Stand der Technik gemäß Fig. 1 gleichen Energieaufwand auf ca. ein Drittel reduziert werden kann. Die Ringspaltluftmenge beträgt zwischen 10% und 40% der Gesamtzerstäubungsluftmenge.
Wie den Darstellungen der Fig. 2 und 2a zu entnehmen ist, ragt die Ringspaltaustrittskante 62 gegenüber der Austrittskante 54 in Strömungsrichtung etwas vor. Indem man also die äußere Ringspaltdüse etwas über den Düsenmund der Zentraldüse hinausragen lässt wird eine weitere Verbessung der Zerstäubung sowie ein Schutz der scharfen Austrittskante 54 erzielt. Vorteilhafterweise ragt die Ringspaltaustrittskante 62 um 5% bis 20% des Durchmessers der Austrittsöffnung 52 über die Austrittskante 54 hinaus.
Abweichend von der Ausführungsform der Zerstäubungsdüse 30 kann die Ringspaltluftkammer 58 mit Druckgas aus einer separaten Leitung versorgt werden. Hierzu werden beispielsweise die Bohrungen 60 verschlossen und es wird Druckgas aus einer separaten Leitung unmittelbar in die Ringspaltluftkammer 58 eingeleitet.
Die Schnittansicht der Fig. 3 zeigt eine weitere Zweistoffzerstäubungsdüse 70 gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Die Zweistoffzerstäubungsdüse 70 ist mit Ausnahme einer zusätzlichen Schleierluftdüse 72 gleich zu der Zweistoffzerstäubungsdüse 30 der Fig. 2 aufgebaut, so dass auf eine eingehende Erläuterung der grundsätzlichen Funktionsweise verzichtet wird und gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugsziffern versehen werden.
Das trichterförmige Bauteil 56 ist bei der Zweistoffzerstäubungsdüse 70 von einem weiteren Bauteil 74 umgeben, das prinzipiell rohrförmig aufgebaut ist, ein weiteres Lanzenrohr bildet und sich in Richtung auf die Austrittsöffnung 52 zu trichterartig verengt. Auf diese Weise ist zwischen dem Bauteil 74 und dem Bauteil 56 ein Schleierluftringspalt 76 gebildet. Der Schleierluftspalt 76 endet etwa auf Höhe der Austrittsöffnung 52 und eine untere, umlaufende Kante des Bauteils 74 ist auf gleicher Höhe angeordnet wie die Ringspaltwandungskante 62. Eine Querschnittsfläche des dadurch gebildeten Schleierluftspalts ist aber deutlich größer als der Ringspalt 64, damit bei der Schleierlufteinleitung Rückstromwirbel vermieden werden können. Die den Düsenmund oder die Austrittsöffnung 52 ringförmig umschließende Schleierluftdüse 72 kann energiesparend mit Luft geringen Drucks beaufschlagt sein, die gemäß einem Pfeil 78 zugeführt wird.
Die Zweistoffzerstäubungsdüse 30 und die Zweistoffzerstäubungsdüse 70 der Fig. 2 bzw. 3 können am unteren Ende einer sogenannten Zerstäubungslanze angeordnet sein, die in einen Prozessraum hineinragt.
Die Darstellung der Fig. 4 zeigt eine abschnittsweise Schnittansicht der Zweistoffzerstäubungsdüse 30 der Fig. 2. Durch die verschiedenen Ebenen mit Druckgaseinlassöffnungen 46a, 46b, 46c sind Schnittebenen gelegt, die mit I, II bzw. III bezeichnet sind.
Dadurch, dass es mit der erfindungsgemäßen Zweistoffzerstäubungsdüse 30, 70 mit zusätzlicher Ringspaltzerstäubung möglich ist, den Flüssigkeitsfilm 66, der im divergenten Düsenaustrittsteil 50 auf der Innenwand existiert, am Düsenmund zu kleinen Tropfen zu versprühen, bieten sich weitere interessante Ansatzpunkte für die Düsengestaltung. Insbesondere ist es zulässig, der Zweiphasenströmung in der Mischkammer 40 und somit auch im Austrittsteil 48, 50 der Düse 30, 70 einen Drall aufzuprägen. Dadurch werden zwar etwas mehr Tropfen auf die Innenwand des Austrittsteils geschleudert. Aber dies ist wegen der sehr effizienten zusätzlichen Ringspaltverdüsung nicht schädlich. Ein Vorteil der Verdrallung liegt darin, dass sich eine verdrallte Strömung in der Mischkammer 40 und im Austrittsteil 48, 50 eher zentrisch symmetrisch einstellt. Dies ist mit herkömmlichen Zweistoffdüsen kaum zu erreichen und hat bisher dazu geführt, dass solche Düsen zum "Spucken" neigen, indem bereichsweise am Düsenmund besonders viele große Tropfen gebildet wurden. Bisher waren die Mittellinien der Zuluftbohrungen 5 der konventionellen Düse gemäß Fig. 1 auf die Mittellängsachse 24 der Zweistoffdüse gerichtet. Man ist geneigt anzunehmen, dass daraus eine zentrisch symmetrische Strömungskonfiguration resultieren müsse. Dies ist jedoch nicht der Fall; vielmehr reichen schon kleinste Störungen in der Flüssigkeits- bzw. Luftzufuhr zur Mischkammer aus, den Strahl seitlich ausweichen zu lassen.
Erfindungsgemäß ist dahingegen vorgesehen, die Bohrungen zur Bildung der Druckgaseinlassöffnungen 46a, 46b, 46c jeweils tangential zu einem Kreis um die Mittellängsachse 36 der Düse auszurichten. Der somit verdrallte Strahl zentriert sich dadurch in der Mischkammer 40 sowie im konvergenten Austrittsteil und im divergenten Austrittsteil der Düse 30, 70 selbsttätig.
Die tangentiale Ausrichtung der Druckgaseinlassöffnungen 46a ist anhand der Schnittansicht der Fig. 5 genauer zu erkennen. Insgesamt sind in Umfangsrichtung gleichmäßig voneinander beabstandet vier Bohrungen in der Ebene I angeordnet, die eine Strömungsverbindung von der Ringkammer 42 in die Mischkammer 40 bilden. Alle diese Bohrungen sind tangential zu einem gedachten Kreis 80 um die Mittellängsachse 36 der Düse angeordnet. Dadurch bildet sich in der Ebene I ein Drall aus, der mittels eines Kreispfeiles gegen den Uhrzeigersinn in der Darstellung der Fig. 5 angedeutet ist.
Die Darstellung der Fig. 6 zeigt die Anordnung von vier Bohrungen zur Bildung der Druckgaseinlassöffnungen 46b in der Ebene II. Die Druckgaseinlassöffnungen 46b sind ebenfalls tangential zu einem Kreis um die Mittellängsachse 36 der Düse angeordnet, jedoch so, dass sich in der Ebene II eine Strömung um die Mittellängsachse 36 im Uhrzeigersinn ergibt.
Die Druckgaseinlassöffnungen 46c in der Ebene III sind, wie Fig. 7 zu entnehmen ist, wieder gleich zu den Druckgaseinlassöffnungen 46a in der Ebene I angeordnet, so dass sich in der Ebene III wieder eine Strömung um die Mittellängsachse 36 entgegen dem Uhrzeigersinn ergibt.
Gemäß der Erfindung ist es also vorgesehen, in den unterschiedlichen Ebenen I, II, III der Zuluftbohrungen gegenläufige Drallrichtungen aufzuprägen. So ist die vom Flüssigkeitseintritt her gezählte erste Zuluftbohrungsebene I linksdrehend, die zweite Bohrungsebene II rechtsdrehend und die dritte Bohrungsebene wieder linksdrehend angeordnet. Durch die gegenläufigen Drallrichtungen in den unterschiedlichen Ebenen I, II, III werden in der Mischkammer 40 stark ausgeprägte Scherschichten erzeugt, die zur Bildung besonders feiner Tropfen beitragen.
Weiterhin können die Zweistoffzerstäubungsdüsen 30, 70 dadurch optimiert werden, dass der in die Mischkammer eintretende massive Flüssigkeitsstrahl schon vor der Wechselwirkung mit der Zerstäubungsluft zerteilt wird. Dies kann auf verschiedene, an und für sich konventionelle Art und Weise geschehen, beispielsweise durch Vorsehen von Aufpralltellern, Dralleinsätzen und dergleichen.

Literaturverzeichnis

1: Wurz, D.E. Flow behaviour of thin water films under the effect of a co-current air flow of moderate to high subsonic velocities; effect of the film on the air flow Proceedings of the Third International Conference on Rain Erosion and Associated Phenomena, England, Elvetham Hall, Bd. 2, S. 727-750, 11-13 August (1970) Published by A.A. Fyall and R.B. King, Royal Aircraft Establishment, England
2: Wurz, D.E. Experimentelle Untersuchung des Strömungsverhaltens dünner Wasser filme und deren Rückwirkung auf einen gleichgerichteten Luftstrom mäßiger bis hoher Unterschallgeschwindigkeit Dissertation, Karlsruhe (1971)
3: Wurz, D.E. Flow behaviour of thin water films under the effect of a co-current air flow of moderate supersonic velocities Proceedings of the Fourth International Conference on Rain Erosion and Associated Phenomena, Germany, Meersburg, Bd. 1, S. 295-318, 08-10 May (1974) Edited by A.A. Fyall and R.B. King, Royal Aircraft Establishment, England
4: Wurz, D.E. Experimental investigation into the flow behaviour of thin water films; Effect on a co-current air flow of moderate to high supersonic velocities. Pressure distribution at the surface of a rigid wavy reference structure. XII Biennial Fluid Dynamics Symposium "Advanced Problems and Methods in Fluid Dynamics", Bialowieza, Polen, 1975 Archives of Mechanics, 28, 5-6, S. 969-987, Warschau (1976)
5: Wurz, D.E. Flüssigkeitsfilmströmung unter Einwirkung einer Überschall-Luftströmung Habilitationsschrift, Karlsruhe (1977)
6: Wurz, D.E. Subsonic and supersonic gas liquid film flow Paper No. 78-1130, AIAA-11-th Fluid and Plasma Dynamics Conference, Seattle, Washington (USA), 10-12 July (1978)
7: Reske, R., D.E. Wurz Droplet impingement on walls and wavy water films Colloquium EUROMECH 162; Stability and Evaporation of Thin Liquid Films in Two-Phase-Flow; Palace of Jablonna, Poland, 20-23 Sept. (1982)
8: Sill, K.H., D.E. Wurz Experimental and theoretical investigation of shear driven evaporating liquid films Colloquium EUROMECH 162; Stability and Evaporation of Thin Liquid Films in Two-Phase-Flow; Palace of Jablonna, Poland, 20-23 Sept. (1982)
9: Wurz, D.E. The subsonic-supersonic controverse of the shear-driven liquid film flow Colloquium EUROMECH 162; Stability and Evaporation of Thin Liquid Films in Two-Phase-Flow; Palace of Jablonna, Poland, 20-23 Sept. (1982)

Claims

Zweistoffzerstäubungsdüse zum Versprühen einer Flüssigkeit unter Zuhilfenahme eines Druckgases, mit einer Mischkammer (40), einem in die Mischkammer (40) mündenden Flüssigkeitseinlass (38), einem in die Mischkammer (40) mündenden Druckgaseinlass (46a, 46b, 46c) und einer Austrittsöffnung (52) stromabwärts der Mischkammer (40), dadurch gekennzeichnet, dass die Mischkammer (40), der Flüssigkeitseinlass (38) und der Druckgaseinlass (46a, 46b, 46c) so ausgebildet und angeordnet sind, dass ein Flüssigkeitsfilm an der Wandung des Düsenmundes existiert, wobei ein die Austrittsöffnung (52) umgebender Ringspalt (64) zum Austreten von Druckgas vorgesehen ist, wobei die Austrittsöffnung (52) mittels einer umlaufenden Wandung gebildet ist, deren äußerstes Ende eine Austrittskante (54) bildet, wobei der Ringspalt (64) im Bereich der Austrittskante (54) angeordnet ist und wobei der Ringspalt (64) und die Austrittskante (54) so ausgebildet und angeordnet sind, dass das Druckgas unmittelbar im Bereich der Austrittskante (54) mit hoher Geschwindigkeit aus dem Ringspalt (64) austritt und den Flüssigkeitsfilm an der Austrittskante (54) zu einer sehr dünnen Flüssigkeitslamelle auszieht und diese dann in feine Tropfen zerteilt.
Zweistoffzerstäubungsdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringspalt (64) zwischen Austrittskante (54) und einer äußeren Ringspaltwandung gebildet ist.
Zweistoffzerstäubungsdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein äußeres Ende der Ringspaltwandung durch eine Ringspaltwandungskante (62) gebildet ist und dass die Ringspaltwandungskante (62) in Ausströmrichtung gesehen nach der Austrittskante (54) angeordnet ist.
Zweistoffzerstäubungsdüse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringspaltwandungskante (62) zwischen 5% und 20% des Durchmessers der Austrittsöffnung (52) stromab der Austrittskante (54) angeordnet ist.
Zweistoffzerstäubungsdüse nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Steuermittel und/oder wenigstens zwei Druckgasquellen vorgesehen sind, so dass ein Druck des dem Ringspalt zugeführten Druckgases und ein Druck des durch den Druckgaseinlass in die Mischkammer mündenden Druckgases unabhängig voneinander einstellbar ist.
Zweistoffzerstäubungsdüse nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischkammer (40) von einer Ringkammer (42) zum Zuführen des Druckgases wenigstens abschnittsweise umgeben ist und dass eine dem Ringspalt (64) vorgeschaltete Spaltluftkammer (58) mit der Ringkammer (42) in Strömungsverbindung steht.
Zweistoffzerstäubungsdüse nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass eine die Austrittsöffnung (52) und den Ringspalt (64) wenigstens abschnittsweise umgebende Schleierluftdüse (72) vorgesehen ist.
Zweistoffzerstäubungsdüse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleierluftdüse (72) einen die Austrittsöffnung (52) und den Ringspalt (64) umgebenden Schleierluftringspalt aufweist, dessen Austrittsfläche größer ist als eine Austrittsfläche des Ringspalts.
Zweistoffzerstäubungsdüse nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass Steuermittel und/oder wenigstens zwei Druckgasquellen vorgesehen sind, so dass ein Druck des der Schleierluftdüse (72) zugeführten Druckgases wesentlich geringer ist als ein Druck des dem Ringspalt (64) zugeführten Druckgases.
Zweistoffzerstäubungsdüse nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (46a, 46b, 46c) vorgesehen sind, um einem Gemisch aus Druckgas und Flüssigkeit in der Mischkammer (40) einen Drall um eine Mittellängsachse (36) der Düse (30; 70) aufzuprägen.
Zweistoffzerstäubungsdüse nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckgaseinlass (46a, 46b, 46c) wenigstens eine in die Mischkammer (40) mündende erste Einlassbohrung aufweist, die tangential zu einem Kreis (80) um eine Mittellängsachse (36) der Düse (30; 70) zur Erzeugung eines Dralls in einer ersten Richtung ausgerichtet ist.
Zweistoffzerstäubungsdüse nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Ebene (I) senkrecht zur Mittellängsachse (36) und in Umfangsrichtung beabstandet mehrere, insbesondere vier, erste Einlassbohrungen vorgesehen sind.
Zweistoffzerstäubungsdüse nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur Mittellängsachse (36) von der ersten Einlassbohrung beabstandet wenigstens eine zweite Einlassbohrung vorgesehen ist, die tangential zu einem Kreis um die Mittellängsachse (36) der Düse (30; 70) zur Erzeugung eines Dralls in einer zweiten Richtung ausgerichtet ist.
Zweitstoffzerstäubungsdüse nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass in einer zweiten Ebene (II) senkrecht zur Mittellängsachse (36) und in Umfangsrichtung beabstandet längsachse (36) und in Umfangsrichtung beabstandet mehrere, insbesondere vier, zweite Einlassbohrungen vorgesehen sind.
Zweistoffzerstäubungsdüse nach wenigstens einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens drei parallel zur Mittellängsachse voneinander beabstandete Ebenen (I, II, III) mit Einlassbohrungen vorgesehen sind, wobei die Einlassbohrungen aufeinanderfolgender Ebenen (I, II, III) einen entgegengesetzt gerichteten Drall erzeugen.