WO2011116892A1

WO2011116892A1 - Zweistoff-innenmischdüsenanordnung und verfahren zur zerstäubung einer flüssigkeit

Info

Publication number: WO2011116892A1
Application number: PCT/EP2011/001284
Authority: WO
Inventors: Peter Walzel; Britta Loskand; Gerhard Schaldach
Original assignee: Technische Universität Dortmund
Priority date: 2010-03-23
Filing date: 2011-03-16
Publication date: 2011-09-29
Also published as: CH704943B1; DE102010012554A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine pneumatische Zweistoff-Innenmischdüsenanordnung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit mittels eines Gases umfassend einen Düsenkörper (D) mit einer Düsenkammer in welche wenigstens eine Flüssigkeitszuführung (1) und wenigstens eine Gaszuführung (2) münden und die am stromabwärtigen Ende wenigstens eine Düsenöffnung (6) aufweist, durch welche die in der Düsenkammer mit dem Gas gemischte Flüssigkeit zur Umgebung hin zerstäubbar ist, wobei stromabwärts der Zuführungen wenigstens ein poröser Verteilkörper (3) angeordnet ist, durch den Gas und Flüssigkeit vollständig hindurchleitbar und darin verteilbar sind, wobei in Strömungsrichtung nach dem wenigstens einen Verteilkörper (3) und vor der wenigstens einen Düsenöffnung (6), insbesondere vor jeder Düsenöffnung (6) ein in Richtung zur Düsenöffnung sich im Querschnitt verjüngender Freiraum (5) angeordnet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein entsprechendes Verfahren.

Description

Zweistoff-Innenmischdüsenanordnung und Verfahren zur Zerstäubung einer Flüssigkeit

Die Erfindung betrifft eine pneumatische Zweistoff-Innenmischdüsenanordnung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit mittels eines Gases, umfassend einen

Düsenkörper mit einer Düsenkammer, in welche wenigstens eine

Flüssigkeitszuführung und wenigstens eine Gaszuführung münden und die am stromabwärtigen Ende wenigstens eine Düsenöffnung aufweist, durch welche die in der Düsenkammer mit dem Gas gemischte Flüssigkeit zur Umgebung hin zerstäubbar ist.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Zerstäubung einer Flüssigkeit mittels eines Gases, bei dem in eine Düsenkammer eines Düsenkörpers über wenigstens eine Zuführung eine Flüssigkeit und über wenigstens eine Zuführung ein Gas eingeleitet und in der Düsenkammer gemischt werden, wonach das Flüssigkeits-Gas-Gemisch mittels wenigstens einer am stromabwärtigen Ende der Düsenkammer angeordneten Düsenöffnung zur Umgebung hin zerstäubt wird.

Düsenanordnungen dieser im Stand der Technik bekannten Art sowie die bekannten Verfahren beruhen darauf, innerhalb einer Düsenanordnung eine Flüssigkeit, gegebenenfalls auch mit Partikeln beladene Flüssigkeit, mit einem Gas zu vermischen und aufgrund des Betriebs mit hohen Drücken innerhalb der Düsenkammer gegenüber der Umgebung an der Düsenöffnung eine Expansion und damit ein Zerstäuben des Flüssigkeits-Gas-Gemisches zu erzielen. Der für die Zerstäubung benötigte Energieeintrag erfolgt hierbei im Wesentlichen durch das Gas.

BESTÄTIGUNGSKOPIE Durch bekannte Düsenanordnungen und bekannte Verfahren dieser Art werden Partikelgrößen der Flüssigkeit von mehreren Mikrometern erzielt. Dabei können sowohl Flüssigkeitstropfen in dieser Größenordnung als auch Feststoffpartikel erreicht werden, insbesondere dann, wenn als Flüssigkeit ein verdunstendes Lösungsmittel eingesetzt wird.

Im Stand der Technik ist es dabei als Problem bekannt, dass bei bisherigen Aufbauten und Verfahren im Betrieb im Wesentlichen festzustellen ist, dass bei niedrigviskosen Flüssigkeiten eine Proportionalität von Düsendurchmesser und Tropfendurchmesser gegeben ist, wenn das Produkt aus Düsendurchmesser und Druck konstant gehalten wird. Dies bedeutet, dass zur Erzielung kleinerer

Tropfendurchmesser die Düsendurchmesser verringert, gleichzeitig damit aber der Arbeitsdruck einer solchen Düse erhöht werden muss. Aus diesem Grund konnten bislang Tropfenabmessungen nach der Zerstäubung in einem Bereich unterhalb von 1 Mikrometer nicht erschlossen werden. Darüber hinaus ist es als weiteres Problem bekannt, dass bisherige Düsenanordnungen aufgrund von

Pfropfenbildung innerhalb einer Düsenkammer zu Pulsationen neigen.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Zweistoff-Innenmischdüsenanordnung und ein Verfahren zur Zerstäubung von Flüssigkeiten bereitzustellen, mit denen ein sehr gleichmäßiges Zerstäuben einer gewünschten Flüssigkeit erzielt wird und bevorzugterweise der Bereich einer Tröpfchengröße kleiner als 1 Mikrometer Durchmesser erschlossen wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Konstruktion einer Zweistoff- Innenmischdüsenanordnung der vorbeschriebenen gattungsgemäßen Art erzielt, bei welcher stromabwärts der Zuführungen von Gas und Flüssigkeit wenigstens ein poröser Verteilkörper angeordnet ist, durch den Gas und Flüssigkeit

vollständig hindurchleitbar und darin verteilbar sind, wobei in Strömungsrichtung nach dem wenigstens einen Verteilkörper und vor der wenigstens einen

Düsenöffnung, insbesondere vor jeder Düsenöffnung, wenn mehrere vorgesehen sind, ein in Richtung zur Düsenöffnung sich im Querschnitt verjüngender Freiraum angeordnet ist.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Zerstäubung einer Flüssigkeit gemäß den vorbenannten gattungsgemäßen Verfahrensschritten ist dadurch ausgezeichnet, dass die Flüssigkeit und das Gas in der Düsenkammer vollständig durch

wenigstens einen stromabwärts der Zuführungen angeordneten porösen

Verteilkörper geleitet und darin verteilt werden und aus dem wenigstens einen Verteilkörper austretende Flüssigkeitsligamente vor dem Durchtritt durch wenigstens eine Düsenöffnung in einem der Düsenöffnung vorgelagerten und sich in Richtung zur Düsenöffnung im Querschnitt verjüngenden Freiraum verstreckt werden.

Der wesentliche Kerngedanke der Erfindung ist sowohl bezogen auf die Zweistoff- Innenmischdüsenanordnung als auch das Verfahren darin zu sehen, dass innerhalb einer Düsenkammer mittels eines porösen Verteilkörpers zunächst eine sehr gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit durch die Kapillarwirkung in den Poren erzielt wird, wobei das in dem wenigstens einen Verteilkörper erzeugte Gemisch aus Flüssigkeit und Gas nach dem Austritt aus dem wenigstens einen Verteilkörper innerhalb des benannten Freiraums vor einer jeweiligen

Düsenöffnung verstreckt wird.

Dies bedeutet, dass aus dem Verteilkörper austretende einzelne Tropfen bzw. bevorzugt Flüssigkeitsligamente, die durch die Porengröße des Verteilkörpers eine bereits vordefinierte Größe bzw. Querschnitt haben noch weiter verfeinert werden, was durch die Verstreckung erfolgt, die innerhalb des Freiraums stattfindet. Diese Verstreckung beruht darauf, dass der Gesamtvolumenstrom durch eine

Düsenanordnung konstant ist, demnach also in einem Freiraum, dessen

Querschnitt in Richtung zur Düsenöffnung abnimmt, die

Strömungsgeschwindigkeit in Richtung zur Düsenöffnung zunimmt und somit Tropfen oder Flüssigkeitsligamente in die Richtung zur Düsenöffnung beschleunigt und somit auseinandergezogen und damit gleichzeitig verdünnt werden. Erst diese innerhalb des Freiraums noch weiter verdünnten Tropfen bzw.

Flüssigkeitsligamente treten durch die Düsenöffnung hindurch und werden danach zur Umgebung hin aufgrund der Druckunterschiede zwischen Umgebung und Düsenkörper fein zerstäubt.

Durch die erfindungsgemäß erzielte besonders feine und gleichmäßige

Vermischung innerhalb des wenigstens einen Verteilkörpers und die nachfolgende Verstreckung innerhalb eines jeweiligen Freiraums vor einer Düse können somit bei der Zerstäubung Tropfendurchmesser kleiner 1 Mikrometer erzielt werden. Darüber hinaus wird eine Pfropfenbildung innerhalb der Düsenkammer, insbesondere innerhalb des Freiraums zwischen porösem Verteilkörper und Düsenöffnung aufgrund der sehr gleichmäßigen und feinen Vermischung innerhalb des wenigstens einen porösen Verteilkörpers zuverlässig vermieden.

Bei der erfindungsgemäßen Ausführung einer Mischdüsenanordnung der vorbeschriebenen Art kann ein poröser Verteilkörper, z.B. ein erster poröser Verteilkörper bevorzugt eine Porengröße kleiner 20pm aufweisen. Porositäten im Bereich von 0,2 bis 0,4 sind dabei weiterhin besonders bevorzugt.

Ein nachfolgender poröse Körper hat vorzugsweise Porositäten von 0,5 bis 0,9 und kann weiter bevorzugt im Austrittsquerschnitt vorzugsweise 7 bis 40 Kanäle aufweisen. Ein Verteilkörper kann zur Erzielung einer guten Verteilung in

Strömungsrichtung eine Dicke wenigetn Millimetern, z.B. von 1 bis 10 mm bevorzugt 2-5mm, besonders bevorzugt 2-3 mm haben.

Hierbei kann es in weiterer Ausführung vorgesehen sein, dass ein poröser Verteilkörper bzw. bei einer Hintereinanderschaltung mehrerer poröser

Verteilkörper zumindest der in Strömungsrichtung letzte Verteilkörper so ausgewählt wird, dass gewünschte vordefinierte Abströmbedingungen an dessen der Düsenöffnung gegenüberliegenden Oberfläche eingestellt sind. Beispielsweise kann ein Verteilkörper bzw. der in Strömungsrichtung letzte Verteilkörper so ausgewählt sein, dass bei der Strömung bzw. Ausbildung der Flüssigkeitstropfen oder -ligamente eine Weberzahl größer 4 erzielt wird.

Bei Einsatz von mehreren, hintereinander angeordneten Verteilkörpern,

insbesondere von wenigstens zwei hintereinanderfolgenden Verteilkörpern, die besonders bevorzugt ohne Zwischenraum aufeinanderfolgen, kann es vorgesehen sein, dass durch den letzten Verteilkörper wie vorbeschrieben die

Abströmbedingungen eingestellt sind und durch einen ersten oder auch mehrere zuvor angeordnete Verteilkörper u.a. durch die Kapillarwirkung in den Poren des porösen Körpers eine besonders gleichmäßige Vermischung erzielt wird.

So kann es hierfür in einer Ausführungsform vorgesehen sein, dass stromabwärts eines ersten porösen Verteilkörpers wenigstens ein weiterer poröser Verteilkörper angeordnet ist, wobei in Strömungsrichtung die Porosität der Verteilkörper von Körper zu Körper oder auch innerhalb eines Körpers zunimmt. So wird nämlich im ersten porösen Körper, der vorzugsweise von der Flüssigkeit benetzbar ist, durch eine geringere Porosität und Porenweite positiv Einfluss genommen auf eine besonders gute Verteilung und Vermischung von Gas und Flüssigkeit,

insbesondere durch eine intensive Querströmung quer zur

Hauptströmungsrichtung der Düse, wohingegen Verteilkörper mit einer höheren Porosität bzw. zumindest mit einer größeren Porengröße die zur weiteren

Verstreckung benötigten Flüssigkeitstropfen bzw. -ligamente am Austritt aus diesem Verteilkörper bereitstellen.

Zur Erzielung dieser Wirkungen können verschiedenartige Verteilkörper eingesetzt werden. Ein Verteilkörper bzw. auch mehrere Verteilkörper, insbesondere die unterschiedliche Parameter in ihrer Hintereinanderanordnung aufweisen, können z.B. durch einen Schwamm oder eine Wolle oder einen Sinterkörper ebenso wie durch eine Schüttung von einzelnen Partikeln oder auch eine Fritte ausgebildet sein. Jede dieser vorgenannten Verteilkörperarten kann dabei auch durch verschiedene Materialien, wie z.B. Metalle, Keramiken, insbesondere auch Glas, ausgebildet sein. In einer besonders bevorzugten Weiterbildung eines Verteilkörpers, insbesondere eines in Strömungsrichtung letzten oder auch einzigen Verteilkörpers, kann es vorgesehen sein, dass ein Verteilkörper sich kreuzende Kanäle aufweist, insbesondere wobei keine der Kanalrichtungen in der Hauptströmungsrichtung liegt oder ein solcher Verteilkörper sich kreuzende Stege aufweist, insbesondere von denen keiner der Stege in Hauptströmungsrichtung liegt, wobei die zuvor benannten kreuzenden Kanäle oder Stege jeweils ein Strömen der Flüssigkeit und/oder des Gases innerhalb des Verteilkörpers quer zur

Hauptströmungsrichtung bewirken. Neben dem Effekt der eintretenden

Querströmung und somit einer guten Verteilung über die gesamte

Querschnittsfläche des Verteilkörpers bewirkt die Ausbildung eines Verteilkörpers durch Kanäle oder sich kreuzende Stege eine sehr gute definierte Ausbildung von Flüssigkeitsligamenten, die sodann an der Endfläche des Verteilkörpers zu den vorbenannten Freiräumen entstehen.

So kann es beispielsweise vorgesehen sein, in Strömungsrichtung zunächst einen Verteilkörper aus einer Vielzahl von losen oder auch gesinterten Partikeln vorzusehen, der zunächst eine gute Vermischung von Gas und Flüssigkeit bewirkt und sodann auf diesem in Strömungsrichtung einen Verteilkörper mit kreuzenden Kanälen oder Stegen vorzusehen, der die Ausbildung definierter

Flüssigkeitsligamente begünstigt.

In einer Weiterbildung kann es auch vorgesehen sein, dass nach einem einzigen oder dem in Strömungsrichtung letzten porösen Verteilkörper als wenigstens ein Hilfselement ein Drahtgestrick, ein Drahtmaschengitter und/oder ein Lochblech oder eine Kombination aus mehreren hiervon vorgesehen ist, insbesondere wobei ein Lochblech in der Kombinationskette an letzter Stelle angeordnet ist. Ein Drahtgestrick und/oder Drahtmaschengitter vor einem Lochblech erlaubt eine Querströmung der aus einem porösen Verteilkörper austretenden Flüssigkeit und des Gases zu den Löchern im Lochblech. Dabei wird ein hoher Druckverlust im porösen Verteilkörper vermieden. Das Lochblech gibt nun durch die Anzahl der Löcher die Durchströmstellen in den Freiraum vor der Düsenöffnung vor, wobei die Löcher sowohl vom Gas als auch von der Flüssigkeit durchströmt werden. Bevorzugt wird eine Anzahl von 5 bis 30 Löchern pro Düsenöffnung gewählt.

In einer weiteren bevorzugten Ausbildung kann es auch vorgesehen sein, dass ein die Eintrittsfläche zu einem Freiraum bildender stromabwärtiger Bereich des wenigstens einen Verteilkörpers bzw. eines in Strömungsrichtung letzten

Verteilkörpers oder auch Hilfselementes in der Form einer Teil-Kugelschale oder eine Teil-Zylinders ausgebildet ist, deren Mittelpunkt in der Düsenöffnung, insbesondere in deren Zentrum liegt oder stromabwärts davon.

Hierdurch wird erreicht, dass der Abstand von Düsenzentrum und

Verteilkörperendfläche an jeder Stelle gleich ist und somit jedes aus der

Verteilkörperoberfläche austretende Flüssigkeitsligament in gleicher Weise auf seinem Weg zur Düsenöffnung gestreckt wird. Alle Flüssigkeitsligamente, die die Düsenöffnung durchströmen, erhalten damit die gleiche Streckung, was einen besonders gleichmäßigen Betrieb und eine gleichmäßige Größenverteilung der erzeugten Flüssigkeitstropfen nach dem Aufreißen der Flüssigkeitsligamente in Strömungsrichtung nach der Düsenöffnung bewirkt.

Bei den erfindungsgemäßen Ausführungen der Mischdüsenanordnung bzw. auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt maßgeblich die Mischung von Gas und Flüssigkeit innerhalb des wenigstens einen porösen Verteilkörpers. Um Gas und Flüssigkeit in diesen Verteilkörper einzutragen, kann es dabei vorgesehen sein, dass zumindest eine der Zuführungen von Gas oder Flüssigkeit, besonders die Zuführung der Flüssigkeit mit ihrem Ende den wenigstens einen Verteilkörper kontaktiert.

In einer anderen Ausführung kann es auch vorgesehen sein, dass stromaufwärts des wenigstens einen Verteilkörpers ein Mischraum angeordnet ist, in den die Zuführungen für Gas und Flüssigkeit münden, so dass sich Gas und Flüssigkeit bereits in Strömungsrichtung vor einem ersten oder dem einzigen Verteilkörper miteinander innerhalb dieses Mischraums vermischen können und bereits vorgemischt zur weiteren Vermischung in den Verteilkörper eintreten.

Eine erfindungsgemäße Düsenanordnung der vorbeschriebenen Art kann im einfachsten Fall eine einzige Düsenöffnung aufweisen, welcher demnach in Strömungsrichtung ein Freiraum und der wenigstens eine poröse Verteilkörper vorgelagert ist.

Werden hingegen große Volumenströme benötigt, so besteht erfindungsgemäß ebenso die Möglichkeit, eine Vielzahl von Düsenöffnungen in einer

erfindungsgemäßen Mischdüse vorzusehen, wobei jede dieser Düsenöffnungen in Strömungsrichtung einen vorgelagerten, sich auf die Düse zu verjüngenden Freiraum aufweist und vor jedem dieser Freiräume der zuvor beschriebene wenigstens eine Verteilkörper angeordnet ist.

Hierbei kann es sowohl vorgesehen sein, dass vor jedem Freiraum ein separater Verteilkörper bzw. eine separate Verteilkörperanordnung aus wenigstens zwei Verteilkörpern vorgesehen ist oder aber auch dass für alle Düsenöffnungen und demnach für alle in Strömungsrichtung davor angeordneten Freiräume ein gemeinsamer Verteilkörper bzw. eine gemeinsame Verteilkörperanordnung von wenigstens zwei Verteilkörpem realisiert ist.

In einer bevorzugten Ausführung einer erfindungsgemäßen Mischdüse mit einer Vielzahl von Düsenöffnungen kann es dabei vorgesehen sein, dass diese

Düsenöffnungen in einer stromabwärtigen Endwand der Düsenkammer angeordnet sind. Innerhalb dieser Endwand kann sogleich der für jede

Düsenöffnung benötigte Freiraum realisiert sein. Beispielsweise können Freiraum und Düsenöffnung ausgebildet sein durch eine sich in Strömungsrichtung verjüngende Bohrung, z.B. mit einer kegelförmigen Querschnittsform, wobei die Düsenöffnung in der Endwand durch die Kegelspitze der Bohrung gebildet wird. Ebenso ist es möglich, vor einer Endwand, in welche die Düsenöffnung eingebracht ist, ein weiteres Bauteil vorzusehen, in welchem die jeweils mit der Düsenöffnung fluchtenden Freiräume eingebracht sind.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass die Endwand, die zumindest die Düsenöffnungen, bevorzugt auch die jeweiligen Freiräume aufweist, teilkugelschalenförmig ausgebildet ist. Eine solche

teilkugelschalenförmig ausgebildete Endwand kann beispielsweise einen

Mittelpunkt aufweisen, der stromaufwärts z.B. in einer Mündungsöffnung der Flüssigkeitszuführung liegt, mit welcher die Flüssigkeit in die Düsenkammer eingeleitet wird.

In weiterer erfindungsgemäßer Ausbildung kann es vorgesehen sein, dass in der Strömungsrichtung vor der Endwand wenigstens ein teilkugelschalenförmiger Verteilkörper, gegebenenfalls also auch mehrere aufeinanderfolgende

teilkugelschalenförmige Verteilkörper, insbesondere auch weitere

teilkugelschalenförmig angeordnete Hilfselemente vorgesehen sind, wobei in weiterer Bevorzugung alle Teilkugelschalen des oder der Verteilkörper bzw. der gegebenenfalls vorgesehenen Hilfselemente alle einen gemeinsamen Mittelpunkt aufweisen, insbesondere den vorgenannten stromaufwärtigen Mittelpunkt in einer Mündungsöffnung der Flüssigkeitszuführung.

Es lässt sich durch eine solche Anordnung eine besonders druckfeste

Konstruktion erzielen, bei welcher die einzelnen Düsenöffnungen einen

vorgeschriebenen Mindestabstand einhalten und demnach ein besonders hoher Betriebsdruck erzielbar ist, beispielsweise ein Betriebsdruck in einem Bereich von 50 - 1.000 bar.

Bei einer solchen Ausführung mit mehreren Düsenöffnungen, insbesondere einer solchen mit dem vorbeschriebenen kugelschalenförmigen Aufbau, kann es weiterbildend vorgesehen sein, dass in Strömungsrichtung vor und über den Bereichen zwischen benachbarten Freiräumen Ablenkelemente angeordnet sind, die beispielsweise innerhalb eines Verteilkörpers oder zwischen zwei Verteilkörpern positioniert sind. Durch solche Ablenkelemente, die haubenförmig ausgebildet sein können, wird bewirkt, dass die Flüssigkeit, welche durch die Verteilkörper strömt, nicht auf die Zwischenbereiche zwischen benachbarten Freiräumen von Düsenöffnungen zuströmen kann, so dass die Ausbildung eines Flüssigkeitsfilms an diesen Zwischenbereichen wirksam verhindert wird.

In weiterer Ausbildung kann es auch vorgesehen sein, dass zwischen dem

Eintrittsquerschnitt eines Freiraums und der Austrittsfläche des einzigen oder in Strömungsrichtung letzten porösen Verteilkörpers weitere

Strömungsbeeinflussende Elemente, insbesondere teilkugelschalenförmig ausgebildete Elemente angeordnet sind, wie beispielsweise Lochbleche zur weiteren Definition von Flüssigkeitsligamenten.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den nachfolgenden Figuren

beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 eine Einzeldüse mit porösem Verteilkörper

Figur 2 eine Einzeldüse mit zwei porösen Verteilkörpern

Figur 3 eine Einzeldüse mit einem porösen Verteilkörper und nachfolgenden ligamentdefinierenden Hilfselementen

Figur 4 eine Mehrfachdüse

Figur 5 eine weitergebildete Mehrfachdüse

Die Figur 1 zeigt eine Einzeldüse mit einem Düsenkörper D, der eine

Düsenkammer umschließt, in welche sowohl eine Flüssigkeitszuführung 1 als auch eine Gaszuführung 2 mündet. Innerhalb des Düsenkörpers D bzw. der durch diesen umschlossenen Düsenkammer ist stromabwärts der Mündungsöffnungen beider Zuführungen 1 und 2 ein poröser Verteilkörper 3 angeordnet.

Hierbei ist die Anordnung derart gewählt, dass die Mündungsöffnung der

Flüssigkeitszuführung 1 unmittelbar den Verteilkörper 3 kontaktiert. Die

Mündungsöffnung der Zuführung 2, mit welcher das Gas in die Düsenkammer eingeleitet wird, hingegen führt in einen stromaufwärts des porösen Verteilkörpers 3 angeordneten und die Flüssigkeitszuführung 1 umgebenden Ringraum R. Bei dieser Ausführung treten demnach die Flüssigkeit sowie auch das Gas koaxial zueinander in die Oberfläche 3b des porösen Verteilkörpers 3 ein und vermischen sich sodann auf ihrem Weg in Richtung der Hauptströmungsrichtung P, die durch die Düsenöffnung 6 definiert ist, innerhalb des porösen Verteilkörpers 3.

Der poröse Verteilkörper führt hier dazu, dass die eingeleitete Flüssigkeit u. a. durch die Kapillarwirkung im benetzten porösen Verteilkörper sowie auch das Gas durch den Strömungswiderstand quer zur Hauptströmungsrichtung P verteilt werden und sich somit durchmischen, so dass an der strömungsabwärtigen Endfläche 3a des porösen Verteilkörpers 3 das Gas-Flüssigkeits-Gemisch den porösen Verteilkörper gleichmässig verlässt. Hierbei bilden sich an der Endfläche 3a des Verteilkörpers Flüssigkeitstropfen bzw. -ligamente aus, deren Querschnitt im Bereich der Porengröße liegt.

Die Figur 1 zeigt deutlich, dass stromabwärts des porösen Verteilkörpers 3, dessen Endfläche 3a in diesem vorliegenden Beispiel teilkugelförmig ausgebildet ist mit einem Mittelpunkt, der innerhalb oder stromabwärts der Düsenöffnung 6 angeordnet ist, ein Freiraum 5 vorgesehen ist.

In diesem Freiraum 5 erfolgt aufgrund von dessen Querschnittsverjüngung in Strömungsrichtung auf die Düsenöffnung 6 zu eine Verstreckung der

Flüssigkeitstropfen bzw. der gebildeten Ligamente, so dass sich diese in Richtung auf die Düsenöffnung weiter verdünnen, bis dass die Flüssigkeitsligamente bzw. - tropfen durch die Düsenöffnung 6 hindurchtreten und zur Umgebung hin zerstäuben.

Der poröse Verteilkörper ist hier im vorliegenden Fall angedeutet als eine Packung von Einzelpartikeln, die z.B. lose geschüttet sein können in einem umgebenden Gehäuse, die aber ebenso auch gesintert sein können, so dass der poröse Verteilkörper 3 ein selbsttragendes Bauteil ausbildet. Auch ein poröser Körper in der Form kreuzender Stege wie er bei statischen Mischern häufig verwendet wird, kann vorteilhaft sein.

Wesentlich für den erfindungsgemäßen Zweck ist es bei allen Ausführungen, dass ein solcher Verteilkörper 3 zumindest anteilig eine Querströmung quer zur

Hauptströmungsrichtung ausbildet, die vorliegend durch den Pfeil P dargestellt ist. Die Packung der hier im Wesentlichen kugelförmig symbolisierten Einzelpartikel des Verteilkörpers 3 erzeugt hier auch optische visualisierte, sich kreuzende Kanäle, die quer zur Hauptströmungsrichtung P im Wesentlichen etwa unter 45 Grad verlaufen, so dass eine gleichmäßige Vermischung über die gesamte

Austrittsfläche 3a des Verteilkörpers 3 realisiert wird. Hierbei kann ein

Verteilkörper bevorzugt in Strömungsrichtung eine Länge aufweisen, welche seiner Erstreckung senkrecht zur Strömungsrichtung entspricht oder größer ist.

Gegenüber der Figur 1 zeigt die Figur 2 eine weitergebildete Ausführung, bei welcher nicht nur ein Verteilkörper 3 vorgesehen ist, sondern bei der in

Strömungsrichtung aufeinander folgend zwei Verteilkörper, nämlich zunächst der Verteilkörper 3 und sodann der Verteilkörper 7 innerhalb der Düsenkammer vorgesehen sind. Die Grenzfläche zwischen den beiden Verteilkörpern kann dabei eben ausgebildet sein und die Verteilkörper 3 und 7 können ohne, aber auch mit Zwischenraum in Strömungsrichtung aufeinander folgen.

Bei der Ausführung gemäß der Figur 2 ist der Verteilkörper 3 im Wesentlichen derart ausgewählt, dass dieser durch die Wahl geeigneter Porosität und

Porengröße zunächst für eine sehr gute Vermischung und Querverteilung von Flüssigkeit und Gas durch die Kapillarwirkung und den Strömungswiderstand Sorge trägt. Der Verteilkörper 7, der in Strömungsrichtung auf den Verteilkörper 3 folgt, ist im Wesentlichen derart ausgewählt, dass an der Austrittsfläche 7a, die vorliegend ebenso wieder teilkugelförmig bezogen auf das Düsenzentrum 6 ausgebildet ist, gewünschte Strömungsbedingungen vorherrschen, wie

beispielsweise, dass die einzelnen Flüssigkeitsligamente das Kriterium einer Weberzahl größer 4 erfüllen. Hier kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass der Verteilkörper 3 aus einem gesinterten Material besteht, wohingegen der Verteilkörper 7 definierte, sich kreuzende Kanäle aufweist, die quer zur Hauptströmungsrichtung gemäß Pfeil P verlaufen. Der Kanalquerschnitt eines jeden der Kanäle innerhalb des

Verteilkörpers 7 kann hierbei größer gewählt sein als der Porenquerschnitt des Verteilkörpers 3. Dadurch kann die Bedingung einer Abströmweberzahl größer 4 erfüllt werden.

Die sonstige Ausführung einer Einzelmischdüse gemäß der Figur 2 ist ansonsten übereinstimmend mit der Ausführungsform gemäß Figur 1 mit denselben weiteren erfindungsgemäßen Wirkungen.

Die Ausführung gemäß der Figur 3 zeigt wiederum eine Einzelmischdüse, die im Wesentlichen der Ausführungsformen 1 und 2 entspricht, wobei hier vorliegend lediglich ein einziger poröser Verteilkörper 3 vorgesehen ist, dessen Endfläche wiederum teilkugelschalenförmig ausgebildet ist, wobei stromabwärts des

Verteilkörpers 3 zunächst ein Maschengewebe 7 und sodann ein Lochblech 11 folgt. Sowohl das Maschengewebe 7 als auch das Lochblech 11 weisen die gleiche Teilkugelschalenform auf mit gemeinsamen Mittelpunkten innerhalb des Zentrums der Düsenöffnung 6, ebenso wie die teilkugelschalenförmtge Endfläche des Verteilkörpers 3. Hier erzeugt wiederum der Verteilkörper 3 eine intensive und gleichmäßige Vermischung von Flüssigkeit und Gas, wohingegen die in

Strömungsrichtung danach folgenden Elemente, d.h. das Maschengewebe 7 und das Lochblech 11 für die gewünschte Definition der Flüssigkeitsligamente Sorge tragen.

Es besteht so gemäß den verschiedenen Ausführungsformen der Figuren 1 , 2 und 3 die Möglichkeit, bei einer Einzeldüse die Art der Vermischung sowie die Art der Erzeugung von Flüssigkeitstropfen oder Flüssigkeitsligamenten am Austritt der Verteilkörper zum Freiraum 5 wunschgemäß zu definieren und somit Einfluss zu nehmen auf die durch die Düse bzw. durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugte Tröpfchengröße.

Die Figuren 4 und 5 zeigen eine Mehrfachdüsenanordnung, bei welcher in gleicher Weise in einen zunächst gemeinsamen Düsenkörper D über die Zuführungen 1 und 2 Flüssigkeit und Gas eingeleitet werden, wobei Flüssigkeit und Gas zunächst in einen gemeinsamen vor den Verteilkörpern 3/7 angeordneten Mischraum 8 gelangen und dort bereits eine Vormischung, bspw. durch eine vergleichsweise grobe Vorzerstäubung stattfindet. Die Düsenanordnung der Figuren 4 und 5 weist hierbei eine strömungsabwärtige Endwand 4 auf, die teilkugelschalenförmig ausgebildet ist mit einem Mittelpunkt, der im Wesentlichen in oder im Bereich der Flüssigkeitszuführung bzw. deren Mündung im Raum 8, zumindest aber

stromaufwärts liegt.

Die Endwand 4 ist hier insbesondere hinsichtlich ihrer Wandstärke derart ausgebildet, dass sie an ihrer Außenseite die Düsenöffnungen 6 ausbildet und innenseitig sich kegelförmig auf die Düsenöffnung 6 zu verjüngende Freiräume 5 aufweist. Hier ist jeweils ein Freiraum 5 jeder der Düsenöffnungen 6 zugeordnet.

In Strömungsrichtung vor der Endwand 4 ist bei beiden Ausführungen gemäß Figur 4 und 5 eine Anordnung aus zwei aufeinanderfolgenden Verteilkörpern 3 und 7 vorgesehen, die in gleicher Weise ausgebildet sein können wie es zuvor zur Figur 2 beschrieben wurde, insbesondere also derart, dass der zunächst in

Strömungsrichtung vorliegende Verteilkörper 3 eine besonders gute und

gleichmäßige Vermischung zwischen Gas und Flüssigkeit erzeugt, wohingegen der darauffolgende Verteilkörper 7 so ausgewählt ist, dass gewünschte

Abströmbedingungen beim Übergang von der freien Oberfläche stromabwärts des Verteilkörpers 7 in die Freiräume 5 gegeben ist.

Um zu vermeiden, dass Flüssigkeit bzw. ein Flüssigkeits-Gas-Gemisch auf die Bereiche 5a zuströmt, die zwischen benachbarten Freiräumen 5 bzw.

Düsenöffnungen 6 angeordnet sind, kann es bei der hier dargestellten Ausführungsform vorgesehen sein, dass im Bereich zwischen den Verteilkörpern 3 und 7 oder innerhalb eines dieser Verteilkörper in Strömungsrichtung vor und zwischen diesen vorgenannten Bereichen 5 Leitelemente, insbesondere

haubenförmige Leitelemente 9 vorgesehen sind, die diese Zwischenbereiche 5a strömungstechnisch abschirmen, so dass ein Bereich zwischen zwei

benachbarten Leitelementen 9 mit einem in Strömungsrichtung dahinterliegenden Eintrittsquerschnitt eines Freiraums 5 fluchtet. Es wird so eine Randgängigkeit der Flüssigkeit zwischen den Freiräumen 5 vermieden und somit wirkungsvoll eine Flüssigkeitsfilmbildung unterdrückt.

Gegenüber der Figur 4 weist die Figur 5 noch die weitere Ausbildung auf, dass in einem Abstandsbereich zwischen dem in Strömungsrichtung letzten Verteilkörper 7 und den Freiräumen 5 in der teilkugelschalenförmig gebogenen Endwand 4 ein Lochblech 11 angeordnet ist. Dieses kann ebenso ergänzend zur gewünschten Ligamentdefinition eingesetzt werden.

Gegenüber den Ausführungsformen der Einzeldüsen nach Figuren 1 - 3 haben die Ausführungsformen der Figuren 4 und 5 mit der dort beschriebenen

Mehrfachdüse den Vorteil, dass größere Gesamtvolumenströme eingestellt werden können und somit eine höhere Tropfenzahl bei der Zerstäubung erzielt werden kann. Die beiden hier grundsätzlich dargestellten Ausführungsformen der Einzel- oder auch Mehrfachdüse weisen dabei gemeinsam aufgrund der kombinierten Vermischung und Verstreckung innerhalb der Freiräume 5 den erfindungsgemäßen Vorteil auf, dass gegenüber den bislang im Stand der Technik bekannten Düsen deutlich kleinere Tropfengrößen, insbesondere kleiner als 1 Mikrometer erzielt werden können.

Für eine 80 pm - Düse sind beispielhaft typische Betriebszustände aufgelistet:

Flüssigkeitsdurchsatz (Wasser) pro Düse: 0,05 - 0,2 kg/h

Gasdurchsatz (Luft): 0,2 - 1 ,0 kg/h

Gasdruck: Δρ = 100 - 400 bar Flüssigkeitsdruck ca. 5 - 10% über Gasdruck

Blenden- bzw. Düsendurchmesser: 80 pm

poröser Körper aus Sintermetall, Porengrößen: ca. 5 - 20 μι^η, Dicke: 2 - 3 mm Grobstruktur (Maschendraht): Metallsiebe 2-lagig, Maschenweite: 25 μιτι Lochblech,: 5 - 20 Löcher pro Düse mit Durchmesser D_L = 50 - 100 μη^η, Freiraumhöhe vor der Düse: 0,3 - 1 mm

Typische Tropfengrößen: Sauterdurchmesser d3₂ = 600 bis 800 nm

Beladungen kleiner gleich 5

Claims

Patentansprüche

1. Pneumatische Zweistoff-Innenmischdüsenanordnung zur Zerstäubung

einer Flüssigkeit mittels eines Gases umfassend einen Düsenkörper (D) mit einer Düsenkammer in welche wenigstens eine Flüssigkeitszuführung (1 ) und wenigstens eine Gaszuführung (2) münden und die am

stromabwärtigen Ende wenigstens eine Düsenöffnung (6) aufweist, durch welche die in der Düsenkammer mit dem Gas gemischte Flüssigkeit zur Umgebung hin zerstäubbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass

stromabwärts der Zuführungen wenigstens ein poröser Verteilkörper (3) angeordnet ist, durch den Gas und Flüssigkeit vollständig hindurchleitbar und darin verteilbar sind, wobei in Strömungsrichtung nach dem wenigstens einen Verteilkörper (3) und vor der wenigstens einen Düsenöffnung (6), insbesondere vor jeder Düsenöffnung (6) ein in Richtung zur Düsenöffnung sich im Querschnitt verjüngender Freiraum (5) angeordnet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass

stromabwärts eines ersten porösen Verteilkörpers (3) wenigstens ein weiterer poröser Verteilkörper (7) angeordnet ist, wobei in

Strömungsrichtung die Porosität der Verteilkörper (3,7) zunimmt

insbesondere wobei durch einen in Strömungsrichtung letzten Verteilkörper (7) gewünschte Abströmbedingungen eingestellt sind.

3. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass ein Verteilkörper (3,7) ausgebildet ist durch einen Schwamm oder eine Wolle oder einen Sinterkörper oder eine Schüttung von Partikeln oder eine Fritte.

4. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass ein Verteilkörper (3,7) sich kreuzende Kanäle aufweist oder sich kreuzende Stege, die ein Strömen der Flüssigkeit und/oder des Gases innerhalb des Verteilkörpers (3,7) quer zu einer Hauptströmungsrichtung (P) bewirken.

5. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass ein die Eintrittsfläche zu einem Freiraum (5) bildender stromabwärtiger Endbereich (3a, 7a) des wenigstens einen Verteilkörpers (3,7) in der Form einer Teil-Kugelschale oder eines Teil- Zylinders ausgebildet ist, deren Mittelpunkt in der Düsenöffnung (6), insbesondere deren Zentrum liegt.

6. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass stromaufwärts des wenigstens einen Verteilkörpers (3,7) ein Mischraum (8) angeordnet ist, in den die Zuführungen (1 ,2) für Gas und Flüssigkeit münden.

7. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass in der Düsenkammer das Ende einer

Flüssigkeitszuführung (1 ) den wenigstens einen Verteilkörper (3) kontaktiert.

8. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass eine stromabwärtige Endwand (4) der

Düsenkammer eine Vielzahl von Düsenöffnungen (6) und jede

Düsenöffnung (6) einen davor angeordneten Freiraum (5) aufweist, insbesondere wobei die Endwand (4) teilkugelschalenförmig oder teilzylindrisch ausgebildet ist.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in

Strömungsrichtung vor der Endwand (4) wenigstens ein

teilkugelschalenförmiger oder teil-zylindrischer Verteilkörper (3,7), insbesondere weitere teilkugelschalenförmig oder teilzylindrisch

angeordnete Hilfselemente (9,11 ) angeordnet sind, wobei alle Teilkugelschalen oder Teilzylinder einen gemeinsamen Mittelpunkt aufweisen.

10. Anordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in

Strömungsrichtung vor und über den Bereichen zwischen benachbarten Freiräumen Ablenkungselemente (9) innerhalb eines Verteilkörpers (3) oder zwischen zwei Verteilkörpern (3,7) angeordnet sind.

11. Verfahren zur Zerstäubung einer Flüssigkeit mittels eines Gases bei dem in eine Düsenkammer eines Düsenkörpers (D) über wenigstens eine

Zuführung (1 ) eine Flüssigkeit und über wenigstens eine Zuführung (2) ein Gas eingeleitet und in der Düsenkammer gemischt werden, wonach das Flüssigkeits-Gas-Gemisch mittels wenigstens einer am strömabwärtigen Ende der Düsenkammer angeordneten Düsenöffnung (6) zur Umgebung hin zerstäubt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit und das Gas in der Düsenkammer vollständig durch wenigstens einen stromabwärts der Zuführungen angeordneten porösen Verteilkörper (3) geleitet und darin gemischt werden, wobei die Flüssigkeit durch die Kapillarwirkung in dem porösen Verteilkörper (3) quer und längs der Hauptsrömungsrichtung (P) verteilt wird und aus dem wenigstens einen Verteilkörper (3) austretende Flüssigkeitsligamente vor dem Durchtritt durch wenigstens eine

Düsenöffnung (6) in einem der Düsenöffnung (6) vorgelagerten und sich in Richtung zur Düsenöffnung (6) im Querschnitt verjüngenden Freiraum (5) verstreckt werden.