DE102009037828A1

DE102009037828A1 - Zweistoffdüse, Bündeldüse und Verfahren zum Zerstäuben von Fluiden

Info

Publication number: DE102009037828A1
Application number: DE102009037828A
Authority: DE
Inventors: Dieter Wurz
Original assignee: Wurz Dieter Prof Dr
Current assignee: Wurz Dieter Prof Dr
Priority date: 2008-11-11
Filing date: 2009-08-10
Publication date: 2010-05-20
Also published as: JP2012508107A; RU2511808C2; US20100116900A1; BRPI0921841A2; US20140048615A1; RU2011117643A; US8590812B2; CN102272524A; EP2347180A1; CN102272524B; JP5502097B2; WO2010054798A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zweistoffdüse mit einem Düsengehäuse, wobei das Düsengehäuse wenigstens einen ersten Fluideinlass für zu zerstäubendes Fluid, einen zweiten Fluideinlass für gasförmiges Fluid, eine Mischkammer, eine Düsenaustrittsöffnung und eine die Düsenaustrittsöffnung umgebende Ringspaltöffnung aufweist, wobei innerhalb des Düsengehäuses Mittel zum Erzeugen eines Films aus zu zerstäubendem Fluid auf einer Wand in der Mischkammer und Eintrittsöffnungen zum Einleiten von gasförmigem Fluid in die Mischkammer vorgesehen sind. Erfindungsgemäß sind die Eintrittsöffnungen und die Mischkammer so ausgerichtet und ausgebildet, um das gasförmige Fluid im Wesentlichen parallel zu der Wand ausgerichtet in die Mischkammer einzuleiten und den Strom aus gasförmigem Fluid innerhalb der Mischkammer im Wesentlichen parallel an der Wand vorbeizuführen. Verwendung z.B. für die Rauchgasreinigung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zweistoffdüse mit einem Düsengehäuse, wobei das Düsengehäuse wenigstens einen ersten Fluideinlass für zu zerstäubendes Fluid, einen zweiten Fluideinlass für gasförmiges Fluid, eine Mischkammer, eine Düsenaustrittsöffnung und eine die Düsenaustrittsöffnung umgebende Ringspaltöffnung aufweist, wobei innerhalb des Düsengehäuses Mittel zum Erzeugen eines Films aus zu zerstäubendem Fluid auf einer Wand in der Mischkammer und Eintrittsöffnungen zum Einleiten von gasförmigem Fluid in die Mischkammer vorgesehen sind. Die Erfindung betrifft auch eine Bündeldüse mit wenigstens zwei erfindungsgemäßen Zweistoffdüsen sowie ein Verfahren zum Zerstäuben von Fluiden mittels einer Zweistoffdüse.
In vielen verfahrenstechnischen Anlagen werden Flüssigkeiten in ein gasförmiges Fluid, z. B. in zu reinigendes oder abzukühlendes Rauchgas eingesprüht. Dabei ist es häufig von entscheidender Bedeutung, dass die Flüssigkeit in möglichst feine Tropfen zerstäubt wird. Je feiner die Tropfen sind, umso größer ist die spezifische Tropfenoberfläche. Daraus können sich erhebliche verfahrenstechnische Vorteile ergeben. So hän gen beispielsweise die Größe eines Reaktionsbehälters und seine Herstellungskosten entscheidend von der mittleren Tropfengröße ab. Aber vielfach ist es keineswegs 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 an Gebläseschaufeln, abgeschieden werden und zu Betriebsstörungen durch Inkrustierungen, Korrosion oder Unwucht führen.
Wenn Flüssigkeiten zu einem möglichst feinen Tropfenspray zerstäubt werden sollen, kommen neben Hochdruck-Einstoffdüsen, die nur mit der zu zerstäubenden Flüssigkeit beschickt werden, häufig sogenannte druckgasgestützte Zweistoffdüsen zum Einsatz. Bei diesen Düsen wird die Flüssigkeit mit Hilfe eines Druckgases, z. B. Druckluft oder Druckdampf, dem ersten gasförmigen Fluid, in ein zweites gasförmiges Fluid, z. B. in Rauchgas, eingesprüht.
Im Interesse einer sprachlichen Vereinfachung wird nachfolgend zur Benennung des ersten gasförmigen Fluids vielfach die Bezeichnung „Druckluft” verwendet, auch wenn verallgemeinernd von Druckgas oder Druckdampf gesprochen werden könnte. Ferner wird in der Regel das zweite gasförmige Fluid als Rauchgas bezeichnet.
Für die jeweiligen Anwendungsfälle steht nach dem Stand der Technik eine Vielfalt unterschiedlicher Zweistoffdüsen zur Verfügung. Ein wichtiges Unterscheidungsmerkmal der Einsatzgebiete besteht in der Beschaffenheit der zu zerstäubenden Flüssigkeit.
1. Düsen für die Zerstäubung von Flüssigkeiten, die von Feststoffen frei sind.
Relativ einfache Randbedingungen liegen dann vor, wenn die Flüssigkeit keine Schwebstoffe enthält und wenn die Flüssigkeit keine festen Verdunstungsrückstände bildet. Dies trifft z. B. auf Düsen für die Zerstäubung von Ammoniakwasser in Rauchgasentstickungsanlagen zu oder auf Düsen für die Zerstäubung von Kerosin in Turbinen-Luftstrahl-Triebwerken. Insbesondere für den letztgenannten Einsatzfall wurden sogenannte Pre-filming-Düsen entwickelt, wie sie in 1 gezeigt sind. 1 ist aus Joos, F., Simon, B., Glaeser, B., Donnerhack, S. (1993): Combuster Development for Advanced Helicopter Engines, MTU FOCUS 1/93, entnommen. Bei diesem in 1 gezeigten Düsentyp wird die Flüssigkeit über feine Bohrungen in Gestalt dünner Kerosinstrahlen auf die Innenwand der Düse gesprüht und bildet dort einen Flüssigkeitsfilm. Die Zerstäubungsluft strömt zwischen benachbarten Flüssigkeitsstrahlen hindurch und bildet eine Kernluftströmung. Durch die Schubspannungswirkung dieser Kernluftströmung wird der Flüssigkeitsfilm auf der Wand zum Düsenmund hingetrieben. In Turbinentriebwerken steht für die Erzeugung der Kernluftströmung nur ein verhältnismäßig geringes Druckverhältnis zur Verfügung. Daher kann dort während der Zerstäubung die Schallgeschwindigkeit bei weitem nicht erreicht werden. Solche bekannten Pre-filming-Düsen sind auch nicht als Laval-Düsen mit konvergent-divergenten Kanalverlauf ausgeführt. Für die Verwendung in Prozessumgebungen in industriellen Anlagen, beispielsweise für die Rauchgasreinigung, sind die bekannten Pre-filming-Düsen in keinster Weise geeignet.
2. Düsen für die Zerstäubung feststoffhaltiger Flüssigkeiten.
In vielen Fällen ist die Flüssigkeit mit Schwebstoffen, z. B. mit größeren oder kleineren Partikeln befrachtet. Die kleineren Partikel können aus Schwebstoffen bestehen, die entsprechend der Maschenweite eines Filters als Restfeststoffbeladung in der zu zerstäubenden Flüssigkeit mitgeführt werden. Größere Partikel, meist von Plättchengestalt, entstehen durch Abschalung aus Wandbelägen in den Zuleitungen zur Düse. Die Wandbeläge können sowohl durch Feinpartikelablagerungen als auch durch Ablagerungen von Stoffen gebildet werden, die in der Flüssigkeit zunächst noch gelöst sind. Bei diesen Anwendungsfällen vermeidet man enge Kanäle oder Bohrungen, da sie schnell durch die in der Flüssigkeit mitgeführten Schwebstoffe und/oder abgeschalte Grobpartikel verstopft würden. Ferner achtet man darauf, dass die Flüssigkeit nicht bereits innerhalb der Düse so weit verdunstet, dass es hier zum schnellen Aufbau von Ablagerungen des Abdampfrückstandes kommt.
Wenn die Querschnitte für die Flüssigkeitseinleitung in die Düse groß sind, besteht eine große Schwierigkeit darin, den massiven Flüssigkeitsstrahl in feine Tropfen zu zerteilen. Hierfür ist unverhältnismäßig viel Druckluft erforderlich und dementsprechend hoch ist der Energieverbrauch derartiger Düsen.
Mit der Erfindung sollen eine Zweistoffdüse, eine Bündeldüse und ein Verfahren zum Zerstäuben von Fluiden bereitgestellt werden, mit denen eine gleichmäßige Tropfengröße erreicht werden kann und die sich durch einen geringen Energieverbrauch auszeichnen.
Erfindungsgemäß ist hierzu eine Zweistoffdüse mit einem Düsengehäuse vorgesehen, wobei das Düsengehäuse wenigstens einen ersten Fluideinlass für zu zerstäubendes Fluid, einen zweiten Fluideinlass für gasförmiges Fluid, eine Mischkammer, eine Düsenaustrittsöffnung und eine die Düsenaustrittsöffnung umgebende Ringspaltöffnung aufweist, wobei innerhalb des Düsengehäuses Mittel zum Erzeugen eines Films aus zu zerstäubendem Fluid auf einer Wand in der Mischkammer und Eintrittsöffnungen zum Einleiten von gasförmigen Fluid in die Misch kammer vorgesehen sind, bei der die Eintrittsöffnung und die Mischkammer so ausgerichtet und ausgebildet sind, um das gasförmige Fluid im Wesentlichen parallel zu der Wand ausgerichtet in die Mischkammer einzuleiten und das gasförmige Fluid innerhalb der Mischkammer im Wesentlichen parallel an der Wand vorbeizuführen.
Bei der erfindungsgemäßen Düse wird ein Film aus zu zerstäubendem Fluid auf einer Wand in der Mischkammer erzeugt, wobei sich die Mischkammer von den Eintrittsöffnungen für zu zerstäubendes Fluid bis zur Düsenaustrittsöffnung erstreckt. Indem die Eintrittsöffnungen und die Mischkammer so ausgerichtet und ausgebildet sind, um das gasförmige Fluid im Wesentlichen parallel zu der Wand ausgerichtet in die Mischkammer einzuleiten, werden die Druckverluste bei dem gasförmigen Fluid gering gehalten. Das gasförmige Fluid wird vorteilhafterweise in Form eines Hochgeschwindigkeitsgasstroms dann innerhalb der Mischkammer im Wesentlichen parallel an der Wand vorbeigeführt, wodurch sich auch ein sehr geringer Energiebedarf der erfindungsgemäßen Düse ergibt. Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Zweistoffdüse bei einem sehr geringen Druck der Druckluft von weniger als 1 bar Überdruck betrieben werden und dennoch wird eine äußerst geringe und dabei gleichmäßig verteilte Tropfengröße erreicht. Der Gasstrom aus dem gasförmigen Fluid treibt den Film aus zu zerstäubendem Fluid auf der Wand in der Mischkammer bis zur Düsenaustrittsöffnung. Dort wird dieser Flüssigkeitsfilm dann zu einzelnen Lamellen ausgezogen, die dann zwischen dem aus der Düsenöffnung austretenden Gasstrom und dem aus der Ringspaltöffnung austretenden Ringspaltluftstrom angeordnet sind und dadurch in feine Tropfen zerstäubt werden. Innerhalb der Mischkammer selbst kann ebenfalls bereits eine Erzeugung feiner Tropfen auftreten, indem der von dem Gasstrom Richtung Düsenaustritt getriebene Flüssigkeitsfilm instabil wird und es hier zu einer teilweisen Zerstäubung kommt, bevor die Düsenaustrittsöffnung erreicht wird. Die erfindungsgemäße Zweistoffdüse zeichnet sich durch ein extrem gutes Teillastverhalten aus. Bei geringen zu zerstäubenden Wasserströmen kann mit Niederdruckluft, beispielsweise 0,2 bar Überdruck, gearbeitet werden, insbesondere dann, wenn keine extrem feine Zerstäubung angestrebt wird. Die Strömungsgeschwindigkeiten innerhalb der Düse können dann relativ gering sein und beispielsweise 50 m/s am Eintritt in die Mischkammer und nicht mehr als ca. 100 m/s am Düsenmund betragen. Wenn kleine Flüssigkeitsströme extrem fein zerstäubt werden sollen oder größere Flüssigkeitsströme fein zu zerstäuben sind, sind höhere Strömungsgeschwindigkeiten erforderlich. Dies gilt auch bei der dampfgestützten Zerstäubung. Dann wird an der Düsenmündung der erfindungsgemäßen Zweistoffdüse in der Zweiphasenströmung näherungsweise Schallgeschwindigkeit erreicht. Die Mischkammer kann aber auch in Form einer Laval-Düse ausgebildet sein, bei der an einem engsten Querschnitt die Schallgeschwindigkeit erreicht wird und bei der sich der Strömungsquerschnitt dann wieder aufweitet, um die Strömungsgeschwindigkeit über der Schallgeschwindigkeit zu halten. Insgesamt ist es durch die erfindungsgemäße Zweistoffdüse in überraschender Weise gelungen, einen sehr niedrigen Energieverbrauch einer Zweistoffdüse bei kleiner Tropfengröße und gleichmäßigem Tropfenspektrum zu erreichen.
Vorteilhafterweise sind wenigstens drei Eintrittsöffnungen zum Einleiten von gasförmigem Fluid in die Mischkammer vorgesehen. Die Eintrittsöffnungen können beispielsweise als Bohrungen in einem Ring realisiert sein. Die aus den Bohrungen austretenden Druckluftstrahlen verlaufen dann weitgehend tangential zur Mischkammerwand und sind zusätzlich zur Düsenachse hin geneigt.
In Weiterbildung der Erfindung sind die Eintrittsöffnungen für gasförmiges Fluid in die Mischkammer in einem Winkel zwischen 0° und 30° zu der Wand im ersten Drittel der Länge der Mischkammer ausgerichtet.
Bei einem Winkel zwischen 0° und 30°, in dem gasförmiges Fluid relativ zu der Wand in die Mischkammer eingeleitet wird, tritt nur ein geringer Druckverlust auf und dennoch kann der Flüssigkeitsfilm auf der Wand in der Mischkammer zuverlässig in Richtung der Düsenaustrittsöffnung getrieben werden. Die Mischkammer kann beispielsweise so ausgestaltet sein, dass die Luft parallel zu der Wand in die Mischkammer eingeleitet wird und dann in einem zweiten Abschnitt der Mischkammer in einem kleinen Winkel von weniger als 30° auf die dort angeordnete Wand trifft. Dadurch erhöht sich die Schubspannungswirkung auf den Flüssigkeitsfilm, um diesen weiter in Richtung Düsenaustritt zu treiben.
In Weiterbildung der Erfindung sind die Mittelachsen der Eintrittsöffnungen für gasförmiges Fluid zu einer Mittellängsachse der Mischkammer so geneigt, dass die Mittelachsen der Eintrittsöffnungen in Strömungsrichtung auf die Mittellängsachse der Mischkammer zulaufen.
Auf diese Weise kann die Entstehung von Zonen mit geringer Gasgeschwindigkeit, also eine vergleichsweise langsamere Kernluftströmung, vermieden werden und gleichmäßige Tropfengrößen können sichergestellt werden. Die Mittelachsen können um einen Winkel im Bereich von 10° bis 30° zur Mittellängsachse hin geneigt sein.
In Weiterbildung der Erfindung schneiden die Mittelachsen der Eintrittsöffnungen für gasförmiges Fluid die Mittellängsachse der Mischkammer nicht.
Indem also die Mittelachsen der Eintrittsöffnungen windschief zur Mittellängsachse der Mischkammer angeordnet werden, können diese auf die Mittellängsachse der Mischkammer zulaufen, ohne sich jedoch mit der Mittellängsachse und auch gegenseitig zu schneiden. Druckverluste durch Entstehung von Wirbelzonen werden dadurch verhindert. Bei der windschiefen Anordnung werden die Mittelachsen der Eintrittsöffnungen um den Winkel γ zur Mittellängsachse und um den Winkel δ in Um fangsrichtung geneigt, wobei der Winkel δ vorzugsweise in einem Bereich von 5° bis 15° liegt.
In Weiterbildung der Erfindung liegen die Mittelachsen der Eintrittsöffnungen auf der Mantelfläche eines gedachten Rotationshyperboloids.
Auf diese Weise kann dem gasförmigen Fluid innerhalb der Mischkammer ein Drall aufgeprägt werden, der die Zerstäubung in feine Tropfen begünstigt. Die Mittelachsen der Eintrittsöffnungen können dann Erzeugende eines einschaligen Hyperboloids bilden.
In Weiterbildung der Erfindung sind in der Mischkammer weiter Tropfenbeladungsmittel vorgesehen, um den Hochgeschwindigkeitsgasstrom wenigstens in von der Wand mit dem Flüssigkeitsfilm entfernt liegenden Bereichen, die nicht durch Reibung zwischen Flüssigkeitsfilm und Hochgeschwindigkeitsgasstrom abgebremst werden, mit Fluidtropfen zu beladen.
Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass das eingeleitete gasförmige Fluid in allen Bereichen abgebremst wird und dadurch Arbeit leistet, sei es um das zu zerstäubende Fluid in einzelne Tropfen aufzureißen, sei es den Flüssigkeitsfilm auf der Wand der Mischkammer in Richtung des Düsenaustritts zu treiben. Speziell wird die Entstehung einer Kernluftströmung verhindert, die im Vergleich zu den entlang der Wand in der Mischkammer strömenden Luftstrom gar nicht oder lediglich schwach abgebremst wird und dadurch, ohne Arbeit zu verrichten, die Düse wieder verlässt.
In Weiterbildung der Erfindung weisen die Tropfenbeladungsmittel einen Zentralpin auf, wobei eine Eintrittsöffnung für zu zerstäubendes Fluid auf eine Spitze des Zentralpins gerichtet ist und sich der Zentralpin ausgehend von der Spitze kegelartig bis zu einer Stelle maximalen Durchmes sers erweitert, wobei das gasförmige Fluid innerhalb der Mischkammer an der Stelle maximalen Durchmessers des Zentralpins vorbeigeleitet wird.
Mittels eines solchen Zentralpins kann das zu zerstäubende Fluid in einen dünnen Flüssigkeitsfilm oder in einzelne Flüssigkeitsstrahlen aufgespalten werden, beispielsweise mittels Furchen oder Kanälen im Zentralpin, wobei die hierzu erforderliche Energie von der Bewegungsenergie des zu zerstäubenden Fluids selbst aufgebracht wird. Das zu zerstäubende Fluid verlässt den Zentralpin dann an einer Stelle maximalen Durchmessers, wo das zu zerstäubende Fluid dann von dem gasförmigen Fluid erfasst, teilweise in einzelne Tropfen zerteilt und in Richtung des Düsenaustritts mitgenommen wird und teilweise auf die Wand der Mischkammer trifft, um einen Flüssigkeitsfilm zu bilden. Mittels eines solchen Zentralpins können auch die Bereiche der Luftströmung, die von der Wand in der Mischkammer entfernt liegen, mit Tropfen beladen und abgebremst werden und dadurch zur Zerstäubung beitragen. Der Zentralpin mit seiner Aufhängevorrichtung und/oder das die Mischkammer definierende Düsengehäuse können aus Hartmetall oder Siliziumcarbid gefertigt sein.
In Weiterbildung der Erfindung weisen die Mittel zum Erzeugen eines Films aus zu zerstäubendem Fluid wenigstens ein Hindernis im Strömungsweg auf, um das zu zerstäubende Fluid mittels seiner Strömungsenergie in Teilströme aufzuteilen. Vorteilhafterweise weisen die Mittel zum Erzeugen eines Films einen Dralleinsatz stromaufwärts des Fluideinlasses in die Mischkammer auf.
Mittels eines Dralleinsatzes im Strömungsweg des zu zerstäubenden Fluids kann das zu zerstäubende Fluid in Rotation versetzt werden, so dass es sich zum Großteil entlang der Wand eines Strömungskanals bewegt und dann auch den gewünschten Flüssigkeitsfilm auf der Wand der Mischkammer erzeugen kann. Ein Hindernis im Strömungsweg des Flüssigkeitszulaufs kann auch in Form von wenigstens drei zur Mittellängsache der Düse hin offenen Kanälen bzw. Furchen ausgebildet sein, die wie die Züge in einem Gewehrlauf spiralig verlaufen.
In Weiterbildung der Erfindung weisen die Mittel zum Erzeugen eines Films aus zu zerstäubenden Fluid einen Zentralpin auf, wobei eine Eintrittsöffnung für zu zerstäubendes Fluid auf eine Spitze des Zentralpins gerichtet ist und sich der Zentralpin ausgehend von der Spitze zunächst kegelartig erweitert.
Ein Zentralpin kann somit zwei Funktionen erfüllen, nämlich zum einen eine Kernluftströmung mit Tropfen zu beladen und zum zweiten einen Film aus zu zerstäubenden Fluid auf der Wand der Mischkammer zu erzeugen. Die mittels des Zentralpins aufgespaltene, zu zerstäubende Flüssigkeit verlässt den Zentralpin an der Stelle des maximalen Durchmessers, wird dann zum Teil von der Kernluftströmung in Tropfen aufgerissen und mitgenommen und gelangt zum Teil auf die der Stelle maximalen Durchmessers etwa gegenüberliegende Wand der Mischkammer und bildet dort den gewünschten Flüssigkeitsfilm.
In Weiterbildung der Erfindung weist der Zentralpin in Strömungsrichtung gesehen anschließend an einen Bereich maximalen Durchmessers einen sich verjüngenden Nachlaufkörper auf.
Mittels eines solchen Nachlaufkörpers, etwa nach Art eines Kaulquappenschwanzes, kann eine Wirbelzone und Totzone hinter dem Zentralpin verhindert werden, in der sich größere Tropfen bilden könnten. Darüber hinaus kann der sich verjüngende Nachlaufkörper auch dafür sorgen, dass die Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Fluids in der Mischkammer auf einem hohen Niveau gehalten wird.
In Weiterbildung der Erfindung weist der Zentralpin die Form eines Doppelkegels auf.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Wand der Mischkammer im Wesentlichen parallel zu dem sich verjüngenden Nachlaufkörper des Zentralpins angeordnet.
Der Zentralpin ist beispielsweise kreiskegelförmig und hat die Form eines Doppelkegels und wird von der Wand der Mischkammer im konstanten Abstand umgeben. Dadurch kann die Ringspaltweite konstant gehalten werden, aufgrund der Verjüngung des Zentralpins und der Wand der Mischkammer verringert sich der freie Strömungsquerschnitt.
Durch die Verringerung des freien Strömungsquerschnitts der Mischkammer, gesehen in Strömungsrichtung im Verlauf des Nachlaufkörpers des Zentralpins, kann die Geschwindigkeit der Gasströmung in der Mischkammer auf einem hohen Niveau gehalten werden und ein Flüssigkeitsfilm auf dem Nachlaufkörper sowie auf der Wand der Mischkammer wird einer hohen Schubspannung ausgesetzt.
In Weiterbildung der Erfindung sind die Mittelachsen der Eintrittsöffnungen für das gasförmige Fluid in die Mischkammer im Wesentlichen parallel zu den Außenwandungen des Nachlaufkörpers des Zentralpins angeordnet.
Auf diese Weise kann das gasförmige Fluid mit sehr geringem Druckverlust in die Mischkammer eingeleitet werden und auch bei geringen Eingangsdrücken des gasförmigen Mediums kann eine hohe Geschwindigkeit des gasförmigen Fluids in der Mischkammer erreicht werden.
In Weiterbildung der Erfindung ist ein Zentralpin in Form eines Doppelkegels ausgebildet, wobei der Bereich minimalen Querschnitts der Mischkammer auf Höhe der stromabwärts liegenden Spitze des Doppelkegels angeordnet ist.
In Weiterbildung der Erfindung verjüngt sich ein Querschnitt der Mischkammer zunächst, behält anschließend an einen Bereich minimalen Querschnitts diesen dann bei oder erweitert sich wieder.
Auf diese Weise kann eine Hochgeschwindigkeitsgasströmung aufrecht erhalten oder gar beschleunigt werden, wenn im Bereich des minimalen Querschnitts Schallgeschwindigkeit erreicht wird.
In Weiterbildung der Erfindung verjüngt sich die Mischkammer in Form eines Hohlkegelstumpfes zunächst und erweitert sich ausgehend von einer Stelle minimalen Querschnitts in Form eines weiteren Hohlkegelstumpfes wieder, wobei Mittelachsen der Eintrittsöffnungen für das gasförmige Fluid in die Mischkammer parallel zur Innenwand der Mischkammer im sich verjüngenden Hohlkegelstumpf ausgerichtet sind.
Auf diese Weise wird das gasförmige Fluid im Bereich der Verjüngung parallel zur Wand der Mischkammer, auf der der Fluidfilm entlang getrieben wird, eingeleitet. Im Bereich der Erweiterung wird das gasförmige Fluid dann ebenfalls parallel oder in einem kleinen Winkel zu der Wand der Mischkammer geführt. Ein kleiner Winkel kann dabei vorteilhaft sein, um eine Schubspannungswirkung auf den Flüssigkeitsfilm zu erhöhen und diesen in Richtung des Düsenaustritts zu treiben.
In Weiterbildung der Erfindung weisen die Mittel zum Erzeugen eines Films aus zu zerstäubendem Fluid einen Zentralpin auf, wobei eine Eintrittsöffnung für zu zerstäubendes Fluid auf eine Spitze des Zentralpins gerichtet ist und der Zentralpin im Bereich seiner, der Eintrittsöffnung für zu zerstäubendes Fluid zugewandten Anströmseite mit wenigstens zwei Kanälen oder Furchen versehen ist, die von einer Spitze des Zentralpins bis zu einer Stelle größten Durchmessers des Zentralpins verlaufen.
Mittels solcher Kanäle oder Furchen kann das auf die Spitze des Zentralpins auftreffende, zu zerstäubende Fluid wenigstens teilweise in einzelne Strahlen zerlegt werden, immer ausschließlich durch die Bewegungsenergie des auftreffenden Fluids. Diese Strahlen verlassen den Zentralpin dann an der Stelle größten Durchmessers, werden von dem in die Mischkammer eingeleiteten gasförmigen Fluid erfasst und teilweise in Tropfen aufgerissen. Die den Zentralpin verlassenden Fluidstrahlen sorgen damit einerseits dafür, dass eine Kernluftströmung mit Tropfen beladen wird, abgebremst wird und nicht ohne Zerstäubungsarbeit zu verrichten die Düse durchtunneln kann. Darüber hinaus treffen die Flüssigkeitsstrahlen auch auf die Wand der Mischkammer auf, die der Stelle maximalen Durchmessers des Zentralpins etwa gegenüberliegt und sorgen dort für die Bildung eines Flüssigkeitsfilms auf dieser Wand, der dann durch das in die Mischkammer eingeleitete gasförmige Fluid in Richtung auf den Düsenaustritt getrieben wird. Die Kanäle oder Furchen können auf den Mantellinien des Zentralpins oder geneigt hierzu verlaufen.
In Weiterbildung der Erfindung weisen die Mittel zum Erzeugen eines Films aus zu zerstäubendem Fluid einen Zentralpin auf, wobei eine Eintrittsöffnung für zu zerstäubendes Fluid auf eine Spitze des Zentralpins gerichtet ist und der Zentralpin mittels wenigstens zwei sich radial erstreckenden Stegen mit dem eine Innenwand der Mischkammer definierenden Düsengehäuse verbunden ist.
Eine solche Anordnung des Zentralpins ist konstruktiv einfach, strömungsgünstig und der Zentralpin ist dadurch auch auswechselbar. Eine Auswechslung des Zentralpins kann beispielsweise bei Verschleiß erforderlich sein oder auch dann, wenn eine Düse an ein unterschiedliches zu zerstäubendes Fluid oder an andere Druckverhältnisse angepasst werden soll.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Düsenaustrittsöffnung umgebende Ringspaltöffnung zwischen dem eine Innenwand der Mischkammer definierenden Düsengehäuse und einem Ringspaltrohr vorgesehen, wobei stromaufwärts der Ringspaltöffnung zwischen dem Düsengehäuse und dem Ringspaltrohr ein Drallkörper angeordnet ist.
Mittels eines solchen Drallkörpers kann zum einen der Ringspaltluft eine Rotation aufgeprägt werden, die einer möglichst gründlichen Zerstäubung an der Ringspaltöffnung zugute kommt. Darüber hinaus kann dieser Drallkörper auch eine äußerst präzise Ringspaltweite sicherstellen. Dies gilt insbesondere dann, wenn der Drallkörper nahe an der Ringspaltöffnung zwischen Ringspaltrohr und Düsengehäuse angeordnet ist. Ein solcher Drallkörper kann dabei in sehr einfacher Weise gestaltet werden, beispielsweise dadurch, dass eine Scheibe mit mehreren Einschnitten an ihrem Umfang versehen wird.
In Weiterbildung der Erfindung ist eine die Ringspaltöffnung wenigstens abschnittsweise umgebende Schleierluftdüse vorgesehen.
Durch Vorsehen einer Schleierluftdüse kann eine Belagsbildung auf der Außenhaut der Sprühlanze und insbesondere auch im Bereich des Düsenmundes verhindert werden. Solche Ablagerungen können sich aus der Prozessumgebung, in die eingesprüht wird, heraus ablagern. Die Schleierluft kann so weit aufgeheizt sein, dass an der Außenhaut der Lanze keine Taupunktunterschreitung stattfinden kann.
Das der Erfindung zugrundeliegende Problem wird auch durch eine Bündeldüse zum Zerstäuben von Fluiden gelöst, bei der wenigstens zwei erfindungsgemäße Zweistoffdüsen vorgesehen sind.
Die Kombination mehrerer erfindungsgemäßer Zweistoffdüsen zu einer Bündeldüse schafft die Möglichkeit, auch große Fluidmengen in kleine Tropfen zu zerstäuben und dabei nur einen geringen Energiebedarf zu erfordern.
Das der Erfindung zugrundeliegende Problem wird auch durch ein Verfahren zum Zerstäuben von Fluiden mittels einer Zweistoffdüse mit wenigstens einem Fluideinlass für gasförmiges Fluid und wenigstens einem Fluideinlass für zu zerstäubendes Fluid sowie einer Mischkammer gelöst, bei dem folgende Schritte vorgesehen sind:

– Erzeugen eines Films aus zu zerstäubenden Fluid auf einer Wand in der Mischkammer,
– Erzeugen eines Gasstroms aus gasförmigen Fluid innerhalb der Mischkammer und im Wesentlichen paralleles Vorbeiführen des Gasstroms an dem Flüssigkeitsfilm innerhalb der Mischkammer,
– Erzeugen eines Ringspaltstroms aus gasförmigen Fluid an einer Ringspaltöffnung stromabwärts der Mischkammer und
– Zerstäuben des Films an der Ringspaltöffnung.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, ein Fluid zu zerstäuben und dabei nicht nur sehr kleine Tropfengrößen, sondern auch eine sehr gleichmäßige Verteilung der Tropfengrößen zu erzielen. Speziell kann durch das erfindungsgemäße Verfahren sichergestellt werden, dass nicht einzelne, große Tropfen in dem erzeugten Tropfenspektrum vorhanden sind und dadurch Probleme durch Ablagerungen von Fluid in nachfolgenden Prozessschritten erzeugen können. Der Film aus zu zerstäubenden Fluid auf einer Wand der Mischkammer wird durch den parallel an der Wand vorbei geführten Gasstrom in Richtung auf eine Düsenaustrittsöffnung getrieben. Gleichzeitig kann der Flüssigkeitsfilm aber bereits teilweise in einzelne Tropfen zerlegt werden. An der Düsenaustrittsöffnung wird der Flüssigkeitsfilm dann in einzelne Flüssigkeitslamellen ausgezogen, die zwischen der Ringspaltluftströmung und der Luftströmung aus der Düsenaustrittsöffnung aufgenommen und dadurch zuverlässig in sehr feine Tropfen zerstäubt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann Fluid in sehr energiesparender Weise zerstäubt werden, da der Film aus zu zerstäubenden Fluid mittels der Bewegungsenergie des in die Düse eingeleiteten, zu zerstäubenden Fluids erzeugt werden kann. Das gasförmige Fluid wird im Wesentlichen parallel an dem Flüssigkeitsfilm in der Mischkammer vorbeigeführt und erfährt dadurch nur einen geringen Druckverlust. Dies ermöglicht es, auch mit Luftdrücken von weniger als einem Bar Überdruck zu arbeiten und dennoch kleine Tropfen und eine gleichmäßige Tropfengrößenverteilung zu erzielen.
In Weiterbildung der Erfindung ist der weitere Schritt des Beladens des Stroms aus gasförmigen Fluid mit Tropfen aus zu zerstäubenden Fluid innerhalb der Mischkammer und wenigstens in Bereichen vorgesehen, die von der Wand mit dem Film aus zu zerstäubenden Fluid entfernt liegen.
Auf diese Weise kann verhindert werden, dass das gasförmige Fluid zu Teilen, ohne Arbeit zu leisten durch die Düse strömt. Stattdessen wird das gasförmige Fluid auch entfernt von der Wand abgebremst und leistet dadurch gleichzeitig bereits einen Teil der Zerstäubungsarbeit.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, einen Strom aus zu zerstäubenden Fluid mittels der Strömungsenergie des Stroms aus zu zerstäubenden Fluid in Teilströme aufzuteilen.
Auf diese Weise können beispielsweise Fluidstrahlen erzeugt werden, alleine mittels der Bewegungsenergie des zu zerstäubenden Fluids, die dann zum Teil durch die gasförmige Luft in Tropfen zerteilt werden und zum Teil den Flüssigkeitsfilm auf der Wand der Mischkammer bilden. Dadurch kann der Energiebedarf in der Düse sehr gering gehalten werden.
In Weiterbildung der Erfindung ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Erzeugen eines Schleierluftstroms aus gasförmigem Fluid vorgesehen, der den Ringspaltluftstrom wenigstens unmittelbar stromabwärts der Ringspaltöffnung umgibt. Der Schleierluftstrom kann aufgeheizt werden.
Durch Erzeugen eines Schleierluftstroms können Ablagerungen auf der Außenhaut der Düsenlanze und insbesondere im Bereich der Düsenmündung verhindert werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Einzelmerkmale der unterschiedlichen beschriebenen Ausführungsformen lassen sich dabei in beliebiger Weise miteinander kombinieren, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten. In den Zeichnungen zeigen:
1 einen Längsschnitt durch eine Pre-filming-Düse nach dem Stand der Technik für die Zerstäubung von Flugbenzin,
2 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Zweistoffdüse gemäß einer ersten Ausführungsform mit einem Zentralpin mit einer Furchenstruktur auf der Anströmseite und einem schlank auslaufenden Schwanz,
3 eine Sicht auf die Schnittebene A-B aus 2, wobei lediglich der Zentralpin und die gegenüberliegende Innenwand in die Mischkammer dargestellt sind,
4 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Zweistoffdüse gemäß einer zweiten Ausführungsform, bei welcher der Zentralpin über radiale Schwerter und einen Ring an der Flüssigkeitsdüse zentriert und befestigt ist,
5 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Zweistoffdüse gemäß einer dritten Ausführungsform mit Zentralpin,
6 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Zweistoffdüse gemäß einer vierten Ausführungsform ohne Zentralpin,
7 einen Längsschnitt durch eine Flüssigkeitsdüse zum Einleiten von zu zerstäubender Flüssigkeit in die Mischkammer einer erfindungsgemäßen Zweistoffdüse gemäß einer fünften Ausführungsform,
8 einen Querschnitt durch die Flüssigkeitsdüse der 7,
9 eine schematische Ansicht A-B in 5 und 6 zur Veranschaulichung der Drallkomponente der Luftführung bei einer erfindungsgemäßen Düse,
10 eine weitere schematische Ansicht zur Veranschaulichung der Drallkomponente in der Mischkammer
11 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Zweistoffdüse gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung,
12 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Zweistoffdüse gemäß einer siebten Ausführungsform der Erfindung,
13 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Zweistoffdüse gemäß einer achten Ausführungsform der Erfindung mit einer zusätzlichen Schleierluftdüse und
14 einen Längsschnitt durch den Mündungsbereich einer erfindungsgemäßen Zweistoffdüse gemäß einer neunten Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Zweistoffdüse gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, wobei ein Zentralpin 11 nicht geschnitten dargestellt ist. Bei der erfindungsgemäßen Zweistoffdüse ist der Zentralpin 11 so ausgebildet, dass die Flüssigkeit den Pinrand 44 nicht als um den Umfang geschlossene Lamelle mit näherungsweise konstanter Schichtdicke verlässt, sondern überwiegend in einzelnen und relativ massiven Strahlen 17, die von der am Umfang homogenen Luftströmung 46 nicht daran gehindert werden können, die Mischkammerwand 51 der Zweistoffdüse zu erreichen. Die Luftströmung kann vielmehr zwischen den Flüssigkeitsstrahlen 17 hindurch treten und bildet einen nur geringfügig mit Tropfen beladenen Kernluftstrahl 47, während die Flüssigkeit zu einem hohen Prozentsatz als Film 29 auf in die Mischkammerwand 40 zum Düsenmund strömt. Am Düsenmund 48 wird dieser Flüssigkeitsfilm 29 unter Einwirkung einer äußeren Ringspaltluftströmung 32 und 34 und der Kernluftströmung 47 zu einer dünnen Lamelle ausgezogen, die in kleine Tropfen zerfällt. Die Kernluftströmung 47 und der Flüssigkeitsfilm 29 sind der Übersichtlichkeit halber nur links der Mittelachse 50 eingezeichnet.
Wesentlich für die Erfindung ist zunächst, dass die Flüssigkeit mittels des Zentralpins 11 alleine durch die Bewegungsenergie des zu zerstäu benden Fluids in Teilströme, nämlich die Teilstrahlen 17, aufgeteilt wird und dass dann mittels dieser, auf die Wand 40 der Mischkammer 7 auftreffenden Strahlen 17 ein Flüssigkeitsfilm 29 auf den Wänden der Mischkammer 7 gebildet wird. Dieser Flüssigkeitsfilm 29 bildet sich aber selbstverständlich auf der gesamten Innenwand der Mischkammer 7, die den Zentralpin 11 umgibt.
In die Mischkammer 7 tritt gasförmiges Fluid, üblicherweise Druckluft, über Eintrittsöffnungen 100 ein, die zwischen dem zentralen Fluidauslass 102 und der Innenwand der Mischkammer 7 definiert sind. Die Mischkammer 7 erstreckt sich von den Eintrittsöffnungen 100 bis zu einer Düsenaustrittsöffnung 48. Die Mischkammer 7 ist innerhalb eines Düsengehäuses 104 angeordnet. Die Eintrittsöffnungen 100 sind so ausgerichtet und angeordnet, dass sie das gasförmige Fluid parallel zu der Wand 40 der Mischkammer 7 einleiten. Die Mischkammer 7 besteht aus einem ersten Abschnitt mit der Länge L1, in dem er sich in Form eines Hohlkegels verjüngt. In einem zweiten Abschnitt mit der Länge L2 wird zunächst eine Stelle mit geringstem Durchmesser N₃ passiert, wobei sich anschließend an diese Stelle die Mischkammer 7 wieder in Form eines Hohlkegelstumpfes erweitert, bis die Mischkammer 7 am Düsenmund oder der Düsenaustrittsöffnung 22 endet. Allerdings findet auch noch außerhalb der Düse stromabwärts des Düsenmundes eine weitere Vermischung statt, dieser Abschnitt wird aber nicht mehr als Mischkammer der Düse bezeichnet. Die Mittelachsen der Eintrittsöffnungen 100 sind somit parallel zur Wand 40 im Abschnitt L1 der Mischkammer ausgerichtet und sind in einem geringen Winkel von weniger als 30° zur Wand im Abschnitt 12 der Mischkammer ausgerichtet, entsprechend den ungleichen Öffnungswinkeln des Doppelhohlkegels in den Abschnitten L1 und L2. Das in die Mischkammer 7 eintretende gasförmige Fluid treibt durch Reibungskräfte den gebildeten Flüssigkeitsfilm 29 auf der Wand der Mischkammer in Richtung Düsenmund 48. Ein Teil des Flüssigkeitsfilms 29 wird durch das gasförmige Fluid, das im Bereich L1 in Form eines Hochgeschwindigkeitsgasstroms an dem Flüssigkeitsfilm 29 vorbeiströmt, bereits in Tropfen zerstäubt, wie in 2 angedeutet ist. Indem das gasförmige Fluid aber parallel zur Wand 40 der Mischkammer in diese eingeleitet wird und auch im zweiten Abschnitt L₂ der Mischkammer im flachen Winkel zur Wand der Mischkammer geführt wird, tritt lediglich ein geringer Druckverlust in der erfindungsgemäßen Zweistoffdüse auf. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass die erfindungsgemäße Zweistoffdüse schon mit Drücken des gasförmigen Fluids von weniger als 1 bar betrieben werden kann und bereits bei diesen geringen Drücken eine sehr gleichmäßige Zerstäubung eines Fluids bewirken kann. Zu dem geringen Energiebedarf der erfindungsgemäßen Zweistoffdüse trägt auch bei, dass das Fluid mittels des Zentralpins 11 alleine durch die Bewegungsenergie des Fluids in Teilstrahlen 17 zerlegt wird, die dann die Bildung des Flüssigkeitsfilms 29 bewirken.
Bei der in 2 gezeigten ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zweistoffdüse ist der kegelförmige Zentralpin 11 auf seiner Mantellinie mit Furchen 14 ausgerüstet. Diese Furchen wirken wie kleine Wasserspeier. Sie erzeugen diskrete Flüssigkeitsstrahlen 17, die auf die Innenwand 40 in deren Bereich 51 in die Mischkammer 7 der Düse 45 auftreffen und dort wunschgemäß einen Flüssigkeitsfilm 29 bilden, während die Zerstäubungsluft 46 durch die Zwickel 19, siehe 3, zwischen benachbarten Flüssigkeitsstrahlen 17 weitgehend unbehindert hindurchströmt. Mit weitgehend unbehindert ist dabei gemeint, dass lediglich ein Teil der Flüssigkeitsstrahlen 17 durch die Zerstäubungsluft in einzelne Tropfen zerstäubt wird. Indem die Zerstäubungsluft 46 aber an den vom Zentralpin 11 ausgehenden Flüssigkeitsstrahlen 17 vorbeiströmen muss, wird auch der Anteil der Zerstäubungsluft, der entfernt von der Wand 40 der Mischkammer strömt, abgebremst und leistet dadurch Zerstäubungsarbeit. Vor allem aber wird verhindert, dass sich ein schnellerer, von der Wand 40 entfernter Kernluftstrahl bildet und ungenutzt die Düse verlässt.
Da der Zentrapin 11 keine plane Endfläche aufweist, sondern mit einem Nachlaufkörper in Form eines Kaulquappenschwanzes 15 der Länge L_P versehen ist, wird verhindert, dass es stromabwärts des sich erweiternden Abschnitts des Zentralpins 11 zu einem Rückstromgebiet und zu Wasseranlagerungen kommt, die sich dann wiederum in Gestalt großer Tropfen ablösen könnten. Die Rückseite des Zentralpins 11 wird also gemäß der Erfindung mit einem Nachlaufkörper in Gestalt eines schlanken Kaulquappenschwanzes 15 ausgeführt und weist dadurch die Form eines Doppelkegels auf, wobei die Länge des sich erweiternden und mit den Furchen 14 versehenen ersten Kegels wesentlich kürzer ist und lediglich etwa ein Viertel der Länge des Nachlaufkörpers beträgt. Ferner wird der Verlauf des Strömungsquerschnitts im Abschnitt L1 in die Mischkammer insgesamt so stark konvergent gestaltet, dass auch der Kaulquappenschwanz 15 einer hohen Schubspannung durch die Luftströmung ausgesetzt ist. Somit werden die ohnehin geringen Flüssigkeitsmengen, die diesen Abschnitt auf dem Kaulquappenschwanz 15 erreichen können, ebenfalls zu dünnen Flüssigkeitsfilmen auseinandergezogen, die nachfolgend in kleine Tropfen zerfallen.
Der Zentralpin 11 kann sehr unterschiedlich gestaltet sein. Anstelle eines Spitzkegels, wie in 4 dargestellt, können auch abgerundete Formen zum Einsatz kommen. Ferner müssen die Furchen 14 nicht streng auf den Kegel-Mantellinien verlaufen, sondern können auch hierzu geneigt sein, so dass die Flüssigkeitsstrahlen 17 eine Umfangskomponente aufweisen.
Ein wichtiger Aspekt der Erfindung liegt darin, dass dann, wenn der gesamte Flüssigkeitsstrom 39 auf den Bereich 51 der Innenwand 40 in die Mischkammer 7 übertragen wird, sich bei der in 4 dargestellten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zweistoffdüse wiederum keine optimale Flüssigkeitsverteilung über den Düsenquerschnitt ergibt. Die für die Zerstäubung eingesetzt Druckluft wird dann zum weit überwiegenden Prozentsatz nahe der Mittelachse 50 der Düse die Mischkammerabschnitte L1 und L2 passieren, denn dort wird sie in diesem Falle nicht durch den Strömungswiderstand des Tropfenkollektivs abgebremst. Ein zu großer Luftstrom passiert dann die Düse nahe der Mittellängsachse 50, ohne die angestrebte Zerstäubungsarbeit zu leisten. Dies resultiert in einem unnötig hohen Energieverbrauch der Düse. Gemäß der Erfindung gelingt es, nur gerade so viel Flüssigkeit in den Flüssigkeitsfilm 29 auf der Wand 40 zu übertragen, dass die frei fliegenden Tropfen einen ausreichend hohen Bremswiderstand auf die Luftströmung ausüben. Dann kann die Luft die Mischkammerabschnitte L1 und L2 der Mischkammer der Düse 45 nicht nahe der Mittelachse 50 ohne Arbeitsleistung durchtunneln und es treten auch nahe der Oberfläche des Flüssigkeitsfilms 29 an in die Mischkammerwand 40 hohe Strömungsgeschwindigkeiten auf. Hohe Strömungsgeschwindigkeiten der Druckluft nahe der Filmoberfläche führen zu hohen Scherkräften auf den Flüssigkeitsfilm. Dadurch reduziert sich die Filmdicke und die am Düsenmund 48 aus dem Flüssigkeitsfilm 29 gebildeten Tropfen sind dann entsprechend klein.
Daher ist gemäß der Erfindung vorgesehen, die Furchen 14 an der Oberfläche des Zentralpins 11 so zu bemessen, dass nicht der gesamte Flüssigkeitsstrom 39 in diskrete Flüssigkeitsstrahlen 17 überführt wird. Vielmehr sollen zwischen den massiveren Flüssigkeitsstrahlen 17 dünne Flüssigkeitslamellen 18 gebildet werden, die der Zerstäubungsluft nur einen geringen Strömungswiderstand entgegensetzen und die in kleine Tropfen zerfallen, welche von der Druckluft mitgerissen werden, bevor sie die Wand 40 in der Mischkammer erreichen können. Dadurch, dass die Druckluft diese Tropfen beschleunigen muss, kann sie nicht ungehindert nahe der Achse in die Mischkammer durchbrechen. Folglich stellt auch der stromabwärts des Düsenmundes 48 entstehende Tropfenstrahl 31 eher einen Vollkegelstrahl dar. Ohne die hier beschriebene Maßnahme würde ein hohler Kegelstrahl entstehen, zumindest bei einem niedrigen Flüssigkeitsdurchsatz der Düse.
Bei hohen Flüssigkeitsdurchsätzen und bei einem entsprechend hohen Flüssigkeitsstrom im Flüssigkeitsfilm 29 auf der Wand 40 in der Mischkammer wird die Filmoberfläche instabil. Bei Untersuchungen des Erfinders der Stabilitätsgrenzen von Flüssigkeitsfilm hat es sich gezeigt, dass die Instabilität einer Flüssigkeitsfilmoberfläche unter dem Einfluss einer Hochgeschwindigkeits-Luftströmung mit dem Auftreten von Rollwellen verknüpft ist. Diese Rollwellen haben Lufteinschlüsse, wie man sie ja auch von Rollwellen an der Meeresoberfläche kennt. Wenn die Lufteinschlüsse an die Filmoberfläche gelangen, platzen die wasserumhüllten Luftbläschen auf. Dabei entstehen relativ kleine Tropfen. Ferner steigen die Tropfen relativ steil von der Filmoberfläche auf. Dadurch werden Flüssigkeitstropfen zur Mittelachse 50 in der Mischkammer hin transportiert. Dies ist bis zu einem gewissen Grade aus zweierlei Gründen erwünscht:

– Die Luftströmung nahe der Mittelachse 50 der Düse wird gedrosselt, da sie Beschleunigungsarbeit an diesen Tropfen leisten muss;
– der Flüssigkeitsfilm 29 auf der Wand 40 verliert einen Teil seines Flüssigkeitsstromes, bevor er den Düsenmund 48 erreicht. Somit reduziert sich die am Düsenmund 48 erforderliche Energiedichte für die Zerstäubung des Flüssigkeitsfilms. Daraus resultiert ein niedriger Druckluftverbrauch für die Ringspalt-Sekundär-Zerstäubung an der Düsenmündung. Auch dies liegt im Interesse eines reduzierten Energieverbrauchs für die Zerstäubung.

Neben der Gestaltung der Furchen 14 an der Oberfläche des Zentralpins hat aber auch die Gestaltung des Bereichs 51 der Wand 40 im Auftreffbereich der diskreten Flüssigkeitsstrahlen 17 einen starken Einfluss auf den Flüssigkeitsanteil, der in dem Flüssigkeitsfilm 29 auf der Wand bzw. vom Kollektiv der freifliegenden Tropfen transportiert wird. Bei einem sehr flachen Auftreffwinkel α der Flüssigkeitsstrahlen 17 wird dieser fast vollständig reflektiert. Es kommt dann wiederum zu einer hohen Tropfenanzahldichte nahe der Mittellängsachse 50 der Düse und demzufolge zu einem ungenügenden Tropfenzerfall. Bei einem zu steilen Auftreffwinkel α zerplatzt der auftreffende Flüssigkeitsstrahl 17, und auch in diesem Falle ist der Flüssigkeitstransfer in den Flüssigkeitsfilm 29 auf der Wand ungenügend. Die optimalen Winkelbereiche sind nicht nur von den Strömungsverhältnissen, sondern auch von den Stoffeigenschaften der Flüssigkeit abhängig. Deshalb ist hier eine enge Eingrenzung der vorteilhaften Winkelbereiche kaum möglich. Für den Winkel α zwischen der Wandtangente im Auftreffbereich der Flüssigkeitsstrahlen 17 im Bereich 51 auf der Wand 40 und der Wandtangente an den Zentralpin 11 wird ein Bereich von ca. 20° bis 70° vorgesehen.
Auch die vorteilhaften Winkel β des Zentralpins 11 im ersten, sich erweiternden Bereich und des maximalen Durchmessers D_P des Zentralpins 11 variieren je nach den Randbedingungen in einem weiten Bereich. Für β ist ein Bereich von ca. 30° bis 90° vorteilhaft. Der Pindurchmesser D_P muss in Relation zum Durchmesser des Flüssigkeitseintritts D_LN1 („L” für Liquid und „N” für narrow) gesehen werden. Das Verhältnis D_P/D_LN1 sollte in einem Bereich von zwei bis fünf liegen.
Auch die Querschnitte N₂ (N für „narrow” am Ringspalt 20 zwischen Pinrand 44 und Mischkammerwand 51) und N₃ (Engstelle in der Mischkammer stromabwärts des Schwanzendes des Zentrapins 11) sind nicht frei wählbar. Um ein besonders feines Tropfenspektrum zu erhalten, wird man in vielen Fällen anstreben, an der Engstelle N₃ die Schallgeschwindigkeit für die Zweiphasenströmung zu erreichen. An der Engstelle N₂ am maximalen Durchmesser des Zentralpins 11 sollte die Strömungsgeschwindigkeit der Luft nicht zu hoch sein, weil dann die vom Pinrand 44 abgehende Flüssigkeit nicht zum Bereich 51 der Wand 40 in der Mischkammer 7 durchschlagen kann, so dass es nicht zur Filmbildung kommt. Auch hier sind die Bemessungsregeln höchst komplex. Nach experimentellen Untersuchungen kann das Verhältnis der Querschnitte N₂/N₃ in einem Bereich von 1 bis 5 liegen.
Auch das Verhältnis der Querschnitte N₄/N₃ (N₃: Engstelle der Laval-Düse; N₄: Düsenaustrittsquerschnitt) ist nicht frei wählbar. Man muss sich darüber im Klaren sein, dass die Druckluft im Zuge der Beschleunigung und Zerstäubung der Tropfen einen hohen Druckverlust erfährt. Somit reduziert sich die Dichte der Druckluft auf dem Weg durch die Düse. Und bei einem in Strömungsrichtung erweiterten Querschnitt kann es somit auch bei Unterschallströmungen zu einer Beschleunigung der Gasphase kommen. Auch hier können nur Anhaltswerte angegeben werden. Vorteilhaft ist je nach dem Grundkonzept der Düse (überkritische Druckverhältnisse oder Niederdruckzerstäubung) ein Querschnittsverhältnis im Bereich N₄/N₃ = 1 bis 3.
In Bezug auf Angaben zu den Querschnittsabmessungen sind Bemessungsregeln für den Schlankheitsgrad der wesentlichen Düsenabschnitte schwierig. Die Krümmung der Mischkammerwand an der Engstelle N₃ darf nicht zu stark sein, weil sich der Flüssigkeitsfilm 29 hier nicht durch Trägheitskräfte über ein sinnvolles Maß hinaus von der Wand 40 ablösen soll. Eine gewisse Lauflänge wird auch benötigt, um Tropfen im freien Fluge zu zerstäuben. Um Anhaltswerte zu nennen, folgende Bemessungsbereiche:

– Gesamtlänge L bezogen auf den Durchmesser am Düsenaustritt N₄: L/N₄ = 3 bis 10;
– Länge L1 des Abschnitts zwischen den Engstellen N₂ und N₃, bezogen auf die Gesamtlänge L: L₁/L = 0,2 bis 1,0;
– Länge L₂ des Abschnitts zwischen den Engstellen N₃ und N₄ bezogen auf die Gesamtlänge L: L₂/L = 0,1 bis 0,8.

Ein sehr wichtiger Aspekt liegt auch in der konstruktiven Ausführung des Zentralpins 11. Der Pin muss in Zuordnung zum eintretenden Flüssigkeitsstrahl 39 präzise zentriert eingebaut sein. Er muss aus einem Verschleißfesten Material, wie z. B. Hartmetall oder Siliziumkarbid herstellbar sein. 2 und 4 zeigen einen Lösungsvorschlag, bei welchem die Flüssigkeit über eine getrennte kleine Flüssigkeitsdüse 10 in die Mischkammer der Zweistoffdüse eingeleitet wird. Der Zentralpin kann gemäß 2 über Stege 106 bezüglich der Mischkammerwand 51 zentriert sein. Vorteilhafterweise ist der Zentralpin über Stege mit einem Ring verbunden, der mit dem Düsengehäuse an der Mischkammerwand verbunden ist.
4 zeigt eine andere Form der Zentrierung. Der Zentralpin 11 ist hier über drei Stege 12 oder Schwerter mit einem zylindrischen Haltering 13 verbunden, welcher auf die Flüssigkeitsdüse 10 aufgepresst wird. Auf die Gestaltung des Düsenmundes 48 und der Ringspalt-Sekundär-Zerstäubung wird hier nicht näher eingegangen, diesbezüglich wird auf die internationale Patentanmeldung WO 2007/098865 A1 Bezug genommen, deren Inhalt hiermit in die vorliegende Anmeldung eingeschlossen ist.
Speziell ist in dieser internationalen Patentanmeldung ausgeführt, dass die Ringspaltdüse aus mehreren, ringförmig angeordneten Sekundärluftdüsen besteht, die nicht nur zu einer Mittellängsachse der Düse hin geneigt sind, sondern zusätzlich noch gleichsinnig in Umfangsrichtung geneigt sind. Die Mittelachsen dieser Sekundärluftdüsen bilden dann Erzeugende eines einschaligen Hyperboloids und der austretenden Ringspaltluft wird ein Drall aufgeprägt. Die einzelnen Sekundärluftdüsen können als Bohrungen ausgeführt sein, vorteilhaft ist aber auch das Ausbilden dieser Sekundärluftdüsen als Ausnehmungen zwischen zwei Bauteilen. Beispielsweise wird ein kegelförmig abgeschrägtes Ende des Düsengehäuses mit Ausnehmungen nach Art eines schräg verzahnten Kegelzahnrades versehen, die dann in geringem Abstand der Innenwand einer Ringspaltdüse gegenüberliegen.
Die Mischkammer weist insgesamt eine Länge L auf, da sich nicht nur im konvergenten Abschnitt L₁ sondern, auch noch im divergenten Abschnitt L₂ eine Einmischung von Tropfen, die sich von der Filmoberfläche ablösen, in die Luftströmung ergibt. Auch dieser Abschnitt L₂, der gelegentlich als Austrittsabschnitt der Düse bezeichnet wird, gehört also noch zur Mischkammer der Düse. Eine Vermischung und Erzeugung von Tropfen findet auch noch stromabwärts und außerhalb der Mischkammer statt, wenn Flüssigkeitslamellen am Düsenmund ausgezogen und zerstäubt werden. Ein Mischbereich der erfindungsgemäßen Düse umfasst somit die Mischkammer und auch noch einen Bereich stromabwärts des Düsenmundes.
Die Schnittansicht der 5 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zweistoffdüse, wobei ein Zentralpin 11 wiederum nicht geschnitten dargestellt ist. Ein Düsengehäuse 150, das die Wand der Mischkammer 7 definiert, ist im Vergleich zu den in 2 und 4 gezeigten Düsen in Bezug auf die Verschraubung des Düsengehäuses 150 mit einem Übergangsteil 52 zu einem zentralen Lanzenrohr 2 konstruktiv anders ausgeführt. Dies ist für die Funktion der Düse zwar von untergeordneter Bedeutung. Es erfordert jedoch das Einbringen von Luftdurchtrittsbohrungen 59 in eine Überwurfmutter 58, mit der das Düsengehäuse 150 an dem Übergangsteil 52 gehalten wird. Die Querschnitte dieser Luftdurchtrittsbohrungen 59 für die Druckluft müssen so groß bemessen werden, dass hier kein relevanter Druckverlust auftritt. Im Interesse eines geringen Energieverbrauches der erfindungsgemäßen Zweistoffdüse soll der Druckverlust soweit irgend möglich nur in Verbindung mit einer möglichst feinen Zerstäubung der Tropfen auftreten.
Bei den Ausführungsformen gemäß 2, 3 und 4 wurde eine vorteilhafte Aufteilung des Flüssigkeitsstromes auf einen wandgebundenen Flüssigkeitsfilm sowie auf frei fliegende Tropfen dadurch erzielt, dass der in die Mischkammer eintretende Flüssigkeitsstrahl mit Sollbruchstellen versehen wurde. Diese Sollbruchstellen oder Bereiche verringerter Dicke wurden entweder durch Furchen auf der Oberfläche des Zentralpins erzeugt, solche Sollbruchstellen können aber auch durch eine spezielle Ausbildung der Flüssigkeitsdüse am Eintritt in die Mischkammer erzeugt werden, wie nachstehend noch anhand der 7 und 8 erläutert wird. Wenn man jedoch die Lufteintrittsbohrungen 5 nahe genug an den in die Mischkammer 7 eintretenden Flüssigkeitsstrahl 39 heranrückt, der sich an einem nicht gefurchten Zentralpin 11 zu einem gleichmäßigen Flüssigkeitsschirm 41 aufspaltet, und wenn man die Eintrittsgeschwindigkeit der Luftstrahlen 55 hier ausreichend steigert, reißen die Luftstrahlen 55 Furchen in den Flüssigkeitsschirm 41. Die von den Druckluftstrahlen 55 aus dem Flüssigkeitsschirm 41 herausgerissene oder ausgepflügte Flüssigkeit wird von der Luft in feine Tropfen zerstäubt. Die Abschnitte des Flüssigkeitsschirms 41 in den vergleichsweise ruhigen Zonen zwischen benachbarten Druckluftstrahlen 55 erreichen dahingegen die Wand in der Mischkammer und erzeugen dort einen Flüssigkeitsfilm 29, wie es für eine Pre-Filming-Düse und speziell die erfindungsgemäßen Zweistoffdüsen charakteristisch ist.
Eine schematische Ansicht AB aus 5 und 6 zur Verdeutlichung der Ausrichtung der Mittelachsen der Eintrittsöffnungen zur Mittellängsachse 50 der Düse ist in 9 zu finden. Die in die Mischkammer 7 einströmenden Luftstrahlen 55 sind nicht nur unter dem Winkel γ zur Mittellängsachse 50 hin geneigt, siehe 5, 6, sondern verfügen zusätzlich über eine gleichsinnig drehende Umfangskomponente, wie dies in 9 durch den Winkel δ zwischen den Luftstrahlen 55 und der Mittellängsachse 50 zum Ausdruck kommt. Bei dieser Konfiguration überschneiden sich die einzelnen Luftstrahlen 55, die im Verlauf der Mischkammer mit Tropfen beladen werden, keinesfalls mit der Mittellängsachse 50 der Düse. Vorzugsweise liegt der Winkel γ in einem Bereich von 10° bis 30° und der Winkel δ in einem Bereich von 5° bis 15°. Die mit Tropfen beladenen Druckluftstrahlen 55 durchlaufen die Mischkammer näherungsweise auf Geraden 56, siehe 5, 6. Bezüglich der Mittellängsachse 50 ist die Zweiphasenströmung in der Mischkammer drallbehaftet. Die Geraden 56 bilden die Erzeugenden eines einschaligen Hyperboloids, wie in 10 schematisch dargestellt ist.
Dadurch wird dreierlei erreicht:

– Unerwünschte große Tropfen werden durch die Fliehkraftwirkung auf die Düseninnenwand bzw. auf die Mischkammerwand 40 ausgeschleudert und bilden dort den Flüssigkeitsfilm 29, der am Düsenmund durch die Ringspalt-Sekundär-Zerstäubung in kleine Tropfen zerlegt wird;
– Der aus der Düse austretende, drallbehaftete Zweistoffstrahl nimmt einen größeren Strahlöffnungswinkel an. Dieser Effekt kann durch eine gleichsinnige Verdrallung der Ringspaltluft 34 noch erheblich verstärkt werden;
– Würde man die einzelnen Luftstrahlen auf die Düsenhauptachse richten, so käme es zwangsläufig zu Windsichtungseffekten. Die Luft könnte der Kanalkontur an der Engstelle N₃ folgen, wohingegen die Tropfen durch die Massenträgheit zur Düsenhauptachse oder Mittellängsachse 50 hin getrieben würden. Dies hätte einen massiven Tropfenzentralstrahl zur Folge. In einem derartigen massiven Tropfenzentralstrahl könnte es im Tropfenstrahl außerhalb der Düse sogar zu einer Agglomeration von Tropfen kommen, so dass relativ große Tropfen gebildet würden, wodurch die Zerstäubungsqualität entscheidend beeinträchtigt würde. Solche Windsichtungseffekte können durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung vermieden werden.

Die Darstellung der 6 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei der auf einen Zentralpin verzichtet wird. Stattdessen wird ein Drallerzeuger 43 an einer geeigneten Stelle in eine Flüssigkeitsdüse 10 stromaufwärts in die Mischkammer 7 eingebaut. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Drallerzeuger 43 stromaufwärts einer kegelstumpfförmigen Verjüngung der Flüssigkeitsdüse 10 vorgesehen, die dann in einen zylindrischen Bereich konstanten Durchmessers übergeht und sich dann wieder in einen kegelstumpfförmigen Bereich öffnet, an den sich dann die Mischkammer 7 anschließt. Der Drallerzeuger 43 ist so gebaut, dass er praktisch keine Querschnittsversperrung darstellt, was beispielsweise durch eine spiralig verlaufende Furchenstruktur auf der Wand der Flüssigkeitsdüse im Bereich des Drallerzeugers 43 erreicht werden kann. Durch die Wirkung des Dralles bildet sich in der kelchförmigen Erweiterung 57 der Flüssigkeitsdüse 10 ein wandgebundener Flüssigkeitsfilm 41 aus. Dieser löst sich ebenfalls in Gestalt eines Flüssigkeitsschirms in den Bereichen der Lufteintrittsöffnungen 110 ab, durch die Druckluftstrahlen 55 in die Mischkammer 7 eintreten. Die Druckluftstrahlen 55 reißen Furchen in den Flüssigkeitsschirm 41 und zerstäuben die mitgerissene Flüssigkeit. Zwischen benachbarten Druckluftstrahlen 55, also zwischen benachbarten Lufteintrittsöffnungen 110, kann der Flüssigkeitsschirm 41 die Mischkammerwand 40 erreichen und erzeugt hier den gewünschten Flüssigkeitsfilm 29, der am Düsenmund 8 unter Mitwirkung der Ringspaltluft 34 zu kleinen Tropfen zerstäubt wird.
Die Ringspaltluft 34 kann in bekannter Weise über einen getrennten Ringraum dem Ringspalt zugeführt werden. Dies ist insbesondere unter dem Aspekt des Energieverbrauches dann ratsam, wenn der Druck der Ringspaltluft deutlich geringer ist als der Druck der Hauptzerstäubungsdruckluft, die in die Bohrungen 5 mit den Eintrittsöffnungen 110 eingeführt wird. Bei der in 6 gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zweistoffdüse ist jedoch der Druckverlust in der Hauptzerstäubungsdruckluft, die durch die Mischkammer geführt wird, relativ niedrig, so dass die Ringspaltluft 34 in der Düse von der Hauptzerstäubungsdruckluft abgezweigt werden kann. Dies erfolgt über Bohrungen 60 in einem Zentrierring 61 an der Überwurfmutter 58, mit der das Düsengehäuse 150 an dem Übergangsstück 52 befestigt ist.
Die erfindungsgemäßen Zweistoffdüsen sind für die Zerstäubung feststoffhaltiger Flüssigkeiten geeignet, selbstverständlich können sie damit auch für die Zerstäubung feststofffreier Flüssigkeiten eingesetzt werden.
Eine weitere mögliche Ausgestaltung der Flüssigkeitsdüse 10 in den erfindungsgemäßen Zweistoffdüsen gemäß 5 und 6 ist in den 7 und 8 dargestellt. Anstatt den in die Mischkammer eintretenden massiven Flüssigkeitsstrahl durch Furchen auf der Anströmseite eines Zentralpins in Einzelstrahlen zu zerlegen, sind bei der Flüssigkeitsdüse 10 gemäß 7 Furchen 53 mit einer artverwandten Wirkung an der Wand der Flüssigkeitsdüse 10 im Zulauf zur Mischkammer angeordnet. In 7 ist beispielhaft eine Furchenstruktur entsprechend einem vierblättrigen Kleeblatt vorgesehen. Durch die Furchen 53 in der Wand der Flüssigkeitsdüse 10, die auch gut in der Schnittansicht gemäß 8 zu erkennen sind, zeigt ein Flüssigkeitsstrahl nach dem Verlassen der Flüssigkeitsdüse 10 Einkerbungen, durch die der Strahlzerfall positiv beeinflusst wird. Ein entscheidender Vorteil einer solchen Konfiguration der Flüssigkeitsdüse 10 besteht darin, dass der Querschnitt des Flüssigkeitszulaufes nicht nennenswert eingeengt wird. Dies ist deshalb von Bedeutung, weil die zu zerstäubende Flüssigkeit mit Feststoffplättchen beladen sein kann, die zu einer Verlegung des Flüssigkeitszulaufes zur Mischkammer führen könnten. Zwar ist bei der kleeblattförmigen Geometrie der Durchmesser des gestrichelt in 8 eingezeichneten Innenkreises 54 bei gleicher Querschnittsfläche etwas kleiner als der Innendurchmesser eines Zulaufes mit zylindrischer Form; dafür ist die maximale Querschnittsabmessung etwas größer. Und da Feststoffplättchen in der Regel nicht quer zur Hauptströmungsrichtung angeordnet sind, können relativ große Plättchen hochkant die Flüssigkeitsdüse 10 gemäß 7 und 8 passieren.
An der Wand der Flüssigkeitsdüse 10 können im Rahmen der Erfindung auch andere Furchenstrukturen, beispielsweise entsprechend einem dreiblättrigen Kleeblatt, vorhanden sein. Insbesondere besteht auch die Möglichkeit, die Furchen nicht koaxial zur Düsenachse, sondern mit einer Umfangskomponente auszuführen. In diesem Falle wird auch eine Verdrallung der in die Mischkammer eintretenden Flüssigkeit erreicht, so dass die Flüssigkeitsdüse 10 gleichzeitig die Funktion eines Drallerzeugers übernehmen kann.
Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zweistoffdüse ist in 11 dargestellt. Wesentlicher Punkt ist hier, dass die Eintrittsöffnungen 110 bzw. deren Mittelachsen windschief zur Mittellängsachse 50 der Düse ausgerichtet sind. Werden die Mittelachsen der Eintrittsöffnungen 110 somit verlängert und um die Mittellängsachse 50 rotiert, ergeben sie die Mantelfläche eines gedachten Rotationshyperboloids, das die Mittellängsachse 50 umgibt, siehe auch 10. Durch eine solche Anordnung der Eintrittsöffnungen 110 ist es möglich, das einströmende gasförmige Fluid in Rotation zu versetzten, wodurch die Erzeugung kleiner Tropfen begünstigt wird, wie bereits erläutert wurde. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass auf den Bohrungsring in der Überwurfmutter 58, siehe 6, verzichtet werden kann. Unter dem Aspekt des Energieverbrauchs wurden mit den Düsen gemäß 11 und den artverwandten Düsen gemäß 12 und 13 die besten Ergebnisse erzielt.
Trotz der windschiefen Anordnung der Mittelachsen der Eintrittsöffnungen 110 zur Mittellängsachse 50 der Düse ist in 11 zu erkennen, dass das gasförmige Fluid aus einem Zuführungsrohr 112 über die mehreren Eintrittsöffnungen 110 parallel zu einer Wand 114 in einer Mischkammer eingeleitet wird. Die Mischkammer weist bei der in 11 dargestellten Düse die Form eines Doppelhohlkegels auf. Die Wand 114 ist hohlkegelstumpfförmig und erstreckt sich bis zu einer Engstelle 116. Ausgehend von der Engstelle 116 erweitert sich die Mischkammer wieder leicht, so dass eine Innenwand 118 der Mischkammer in diesem zweiten Abschnitt stromabwärts der Engstelle 116 wiederum die Form eines Hohlkegelstumpfes hat, allerdings mit sehr kleinem Öffnungswinkel. Die Mischkammer endet an einer Düsenaustrittsöffnung 120, die gleichzeitig das stromabwärts gelegene Ende eines Düsengehäuses 122 bildet. Die Düsenaustrittsöffnung 120 sowie das gesamte Düsengehäuse 122 werden von einem Ringspaltluftrohr 124 umgeben, das in Strömungsrichtung gesehen kurz hinter der Düsenaustrittsöffnung 120 an einer Ringspaltöffnung 126 endet. Zwischen der Ringspaltöffnung 126 und der Düsenaustrittsöffnung 120 ist ein Ringspalt definiert, durch den Ringspaltluft austritt, die ebenfalls über das Zuführungsrohr 112 zugeführt wird und innerhalb des Ringspaltluftrohres 124 vorbei am Düsengehäuse 122 strömt.
Um eine möglichst präzise Einstellung der Ringspaltluftweite zwischen der Innenseite des Ringspaltluftrohres 124 und der Außenseite des Düsengehäuses 122 sicherzustellen und gleichzeitig der Ringspaltluft einen Drall aufzuprägen, ist etwa auf halber Strecke zwischen der Engstelle 116 und der Düsenaustrittsöffnung 120 zwischen das Düsengehäuse 122 und das Ringspaltluftrohr 124 ein Drallkörper 128 eingesetzt. Der Drallkörper 128 stützt sich einerseits am Düsengehäuse 122 und andererseits am Ringspaltluftrohr 124 ab und sorgt damit für eine sehr präzise Einstellung der Ringspaltweite. Darüber hinaus, wie bereits erwähnt wurde, wird mittels des Drallkörpers 128 der Ringspaltluft im Ringspaltluftrohr 124 ein Drall aufgeprägt. Die Ringspaltweite kann um so präziser mittels des Drallkörpers 128 eingestellt werden, je näher sich dieser an der Ringspaltöffnung 126 befindet. Der Drallkörper 128 kann beispielsweise als Scheibe ausgebildet sein, die von ihrem Außenumfang her mit schräg eingeschnitten Nuten versehen ist.
14 zeigt eine Anordnung eines Drallerzeugers 154 für die Drallerzeugung und für die Zentrierung eines Ringspaltluftrohres 156 nahe der Düsenmündung.
Das Düsengehäuse 122 ist zweiteilig aufgebaut und weist einen stromaufwärts gelegenen Abschnitt 130 sowie einen stromabwärts gelegenen Abschnitt 132 auf. Der stromaufwärts gelegene Abschnitt 130 weist die Eintrittsöffnung 134 für zu zerstäubendes Fluid auf und ist stromaufwärts dieser Eintrittsöffnung 134 mit einem Anschlussflansch für ein Zuführrohr 136 für das zu zerstäubende Fluid versehen. Stromaufwärts der Eintrittsöffnung 134 ist ein konvergenter Bereich angeordnet, stromabwärts der Eintrittsöffnung 134 ein divergenter Bereich, der dann bis zu der Wand 114 der Mischkammer geht. Der stromaufwärts gelegene Abschnitt 130 weist darüber hinaus die mehreren Eintrittsöffnungen 110 auf, von denen beispielsweise vier bis acht über den Umfang des Düsengehäuses 122 verteilt sind. Der stromaufwärts gelegene Abschnitt 130 endet an einem Haltesteg 138, der sich in die Mischkammer hinein erstreckt und an dem ein doppelkegelförmiger Zentralpin 140 befestigt ist. Der Haltesteg 138 verbindet den Zentralpin 140 auf wenigstens zwei Seiten mit dem Düsengehäuse 122 und ist speziell mit dem Düsengehäuse 122 an der Trennstelle zwischen dem stromaufwärts gelegenen Abschnitt 130 und dem stromabwärts gelegenen Abschnitt 132 verbunden. Der stromaufwärts gelegene Abschnitt 130 und der stromabwärts gelegene Abschnitt 132 des Düsengehäuses 122 werden mittels einer Überwurfmutter 142 zusammengehalten. Nach Abnehmen der Über wurfmutter können die Abschnitte 130, 132 des Düsengehäuses 122 voneinander getrennt werden und der Zentralpin 140 kann zusammen mit dem Steg 138 entfernt und beispielsweise bei Verschleiß ersetzt werden.
Mittels unterschiedlich geformter Zentralpins 140 kann die Düse auf unterschiedliche, zu zerstäubende Flüssigkeiten angepasst werden. Der Zentralpin 140 kann beispielsweise auch aus Hartmetall oder Keramik gefertigt sein.
Die Funktionsweise der in 11 gezeigten Zweistoffdüse ist prinzipiell gleich wie bereits anhand 2 und 5 beschrieben wurde. Der Zentralpin 140 ist hier mit glatter Oberfläche ausgebildet, sowohl im Bereich seiner der Eintrittsöffnung 134 für zu zerstäubendes Fluid zugewandten Spitze als auch im Bereich seines Nachlaufkörpers, der ebenfalls die Form einer Kegelspitze aufweist. Der Zentralpin 140 weist dadurch die Form eines Doppelkegels auf, wobei der Nachlaufkörper etwas mehr als doppelt so lang ist wie die der Eintrittsöffnung 134 zugewandte Spitze. Der Zentralpin 140 erstreckt sich vom stromabwärts gelegenen Ende der Eintrittsöffnung 134 bis in den Bereich der Engstelle 116. Unter bestimmten Voraussetzungen ist es auch hier vorteilhaft, den Zentralpin mit Furchen zu versehen, wie in 3 gezeigt ist.
Der Nachlaufkörper des Zentralpins 140 ist so ausgebildet und angeordnet, dass seine Außenwand parallel zur Wand 114 des ersten Abschnitts der Mischkammer verläuft. Eine Ringspaltweite zwischen Wand 114 und Zentralpin 140 im ersten Abschnitt der Mischkammer, also bis zur Engstelle 116, bleibt dadurch konstant, während sich ein freier Querschnitt der Mischkammer verjüngt.
Im Betrieb der Düse passiert zu zerstäubendes Fluid die Eintrittsöffnung 134 und trifft auf die Spitze des Zentralpins 140 auf. Das zu zerstäuben de Fluid wird dadurch mittels seiner eigenen Bewegungsenergie in einen entlang der Spitze des Zentralpins 140 strömenden Film zerlegt. Dieser Film verlässt dann den Zentralpin 140 an dessen breitester Stelle 144 und gelangt größtenteils bis zur Wand 114 der Mischkammer. Auf dieser Wand 114 wird dadurch ein Flüssigkeitsfilm ausgebildet, der dann durch das gasförmige Fluid, das durch die Eintrittsöffnungen 110 eintritt, in Richtung der Düsenaustrittsöffnung 120 getrieben wird. Das gasförmige Fluid wird durch die Eintrittsöffnungen 110 parallel zur Wand 114 eingeleitet und strömt auch parallel zur Außenwand des Nachlaufkörpers des Zentralpins 140. Im stromabwärts gelegenen Abschnitt der Mischkammer, also stromabwärts der Engstelle 116, trifft das gasförmige Fluid in einem flachen Winkel von etwa 10° bis 15° auf die Wand 118 in der Mischkammer auf. Dieser flache Auftreffwinkel erhöht die Schubspannung zwischen dem gasförmigen Fluid und dem Flüssigkeitsfilm auf der Wand 118 und sorgt damit dafür, dass der Flüssigkeitsfilm zügig in Richtung Düsenaustrittsöffnung 120 getrieben wird.
Bei entsprechender Geschwindigkeitsdifferenz zwischen dem Flüssigkeitsfilm auf den Wänden 114, 118 der Mischkammer und dem gasförmigen Fluid wird der Flüssigkeitsfilm bei ausreichender Filmdicke bereits teilweise während seiner Bewegung durch die Mischkammer in Tropfen aufgespalten, wie dies anhand der Entstehung von Rollwellen vorstehend bereits erläutert wurde. Entscheidend für diese teilweise Aufspaltung sind die Gasgeschwindigkeit bzw. die Schubspannung auf den Flüssigkeitsfilm und die Filmdicke.
Auch nach dem Verlassen des Zentralpins 140 an dessen breitester Stelle 144 wird ein Teil des zu zerstäubenden Fluids bereits in einzelne Tropfen zerlegt, da ja das durch die Eintrittsöffnungen 110 einströmende Fluid den Flüssigkeitsfilm passieren muss. Auch in Bereichen, die weiter von der Wand 114 beabstandet sind, ist das gasförmige Fluid dadurch mit Tropfen beladen, muss Zerstäubungsarbeit verrichten und wird da durch abgebremst. Als Zerstäubungsarbeit wird dabei die Summe aus der Arbeit zur Erzeugung neuer Flüssigkeitsoberfläche, also die Erzeugung von Tropfen beispielsweise aus einem Vollstrahl und/oder die Zerlegung großer Tropfen in kleine Tropfen, der zur Beschleunigung der Tropfen erforderlichen Arbeit sowie der Arbeit zur Überwindung von Reibungskräften zwischen Gas und Flüssigkeit sowie zwischen Flüssigkeit und Wand angesehen. In der Folge wird dadurch vermieden, dass sich im zweiten Teil der Mischkammer stromabwärts der Engstelle 116 eine schnellere Kernluftströmung ausbildet, die keine Zerstäubungsarbeit leistet, nicht oder nur unwesentlich mit Tropfen beladen ist und die Düsenaustrittsöffnung 120 im Wesentlichen ungenutzt verlässt. Vielmehr kann bei der erfindungsgemäßen Düse erreicht werden, dass auch die Kernbereiche der Strömung im stromabwärts gelegenen Teil der Mischkammer stromabwärts der Engstelle 116 mit Tropfen beladen sind und nicht oder nicht wesentlich schneller strömen als die nahe der Wand 118 strömenden Bereiche.
Der Flüssigkeitsfilm auf der Wand 118 wird dann nach Passieren der Düsenaustrittsöffnung 120 in dünne Flüssigkeitslamellen ausgezogen, die dann sowohl von dem gasförmigen Fluid, das aus der Mischkammer austritt, als auch der Ringspaltluft in feine Tropfen zerstäubt werden.
Der Zentralpin kann, wie bereits erläutert wurde, auch mit Kanälen oder Furchen versehen sein, um diskrete Fluidstrahlen zu erzeugen, die dann auf die Wand 114 der Mischkammer auftreffen.
Es kann ergänzend festgestellt werden, dass ein auch nur teilweiser Zerfall dieses Flüssigkeitsfilms auf den Wänden 114, 118 nicht notwendigerweise bereits innerhalb der Düse beginnen muss. Im Bereich niedriger Flüssigkeitsdurchsätze ist der Film derart dünn, dass er auch durch einen Überschall-Luftstrom innerhalb der Mischkammer nicht zerstäubt werden könnte. In einem solchen Fall findet die gesamte Zerstäubung erst an der Düsenaustrittsöffnung 120 statt, wenn der Flüssigkeitsfilm in Lamellen ausgezogen wird und zwischen der zentralen, aus der Düsenaustrittsöffnung 120 austretenden Zerstäubungsluft und den Ringspaltluftstrom gepackt wird. Nur bei hohen Flüssigkeitsströmen im Flüssigkeitsfilm auf den Wänden 114, 118 ist die Filmströmung tatsächlich instabil und es kommt bereits innerhalb der Mischkammer zu einer teilweisen Zerstäubung, also lange bevor die Düsenaustrittsöffnung 120 erreicht wird.
Die Düsenaustrittsöffnung 120 wird durch das stromabwärts liegende Ende des Düsengehäuses 122 gebildet. Um ein Anhaften von Flüssigkeitstropfen an der Stirnfläche des Düsengehäuses 122 zu vermeiden, ist diese Stirnfläche, die die Düsenaustrittsöffnung 120 umgibt, das sogenannte Frontbankett, möglichst schmal ausgeführt. Bei einer Ausführung des Düsengehäuses 122 in Edelstahl kann die Breite dieser ringförmigen Stirnfläche zwischen 0,1 mm und 0,4 mm liegen, bei einer Hartmetallausführung zwischen 0,2 mm und 0,5 mm. Aufgrund der geringen Breite dieser Stirnfläche ist das Düsengehäuse 122 im Bereich der Düsenaustrittsöffnung 120 stoßempfindlich. Um das stoßempfindliche Frontbankett des Düsengehäuses 122 zu schützen, überragt das Ringspaltluftrohr 124 das Frontbankett des Düsengehäuses 122 in Strömungsrichtung geringfügig. Bei der Ringspaltdüse ist die Breite der Stirnfläche oder die Breite des Frontbanketts vergleichsweise unkritisch, da durch die Ringspaltöffnung 126 ja keine Flüssigkeit austritt und sich am Frontbankett des Ringspaltluftrohres 124 somit auch keine Flüssigkeitstropfen anlagern können. Indem das Ringspaltluftrohr geringfügig weiter in Strömungsrichtung vorragt als das Düsengehäuse 122, kann eine optimale Funktion der erfindungsgemäßen Zweistoffdüse mit Unempfindlichkeit gegenüber Stößen kombiniert werden.
Eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zweistoffdüse ist in 12 dargestellt. Im Unterschied zu der in 11 dargestellten Zweistoffdüse ist ein zusätzliches Rohr 148 vorgesehen, das sich vom Düsengehäuse 122 in das Zuleitungsrohr hineinerstreckt und dadurch eine Luftzuführung für die Eintrittsöffnungen 110 von der Luftzuführung für einen Ringspalt 116 trennt. Die erfindungsgemäße Zweistoffdüse kann dadurch in einem speziellen Reinigungsverfahren betrieben werden, indem beispielsweise an das zentrale Zuleitungsrohr für zu zerstäubendes Fluid ein Unterdruck angelegt wird, um Reinigungsflüssigkeit, die über die Bohrungen 110 in die Mischkammer eingebracht wird, nicht über die Mündung 120 aus der Düse austreten zu lassen. Durch die Rücksaugung wird dann die aus dem Ringspalt austretende und nicht mit Reinigungsflüssigkeit beladene Luft über die Mischkammer zurückgesaugt. Falls die Reinigungsflüssigkeit über die Bohrungen 110 ohne Rücksaugung in die Mischkammer eingeleitet wird, tritt sie zwangsläufig aus dem Düsenmund aus. In diesem Falle übernimmt die nicht mit Reinigungsflüssigkeit beladene Ringspaltluft die Zerstäubungsleistung.
In 13 ist ein Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Zweistoffdüse 150 gemäß einer achten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Zweistoffdüse 150 ist im Wesentlichen baugleich mit der in 11 gezeigten Zweistoffdüse, so dass lediglich die Unterschiede zu der in 11 gezeigten Zweistoffdüse erläutert werden. Zusätzlich zu den Bauteilen der in 11 gezeigten Zweistoffdüse ist die Zweistoffdüse 150 gemäß 13 mit einer Schleierluftdüse 152 versehen, die die Ringspaltdüse mit der Ringspaltöffnung 126 umschließt. Während die Luft aus der Ringspaltdüse mit hoher Geschwindigkeit, näherungsweise mit Schallgeschwindigkeit, austritt, um den Flüssigkeitsfilm in feine Tropfen zerlegen zu können, verlässt die Schleierluft die Schleierluftdüse 152 mit geringer Geschwindigkeit von z. B. ca. 50 m/s. Die Aufgabe der Schleierluft ist es, die Außenhaut der Sprühlanze, also unter anderem die Außenhaut des Zuführungsrohres 112, thermisch vom kalten Kern der Düse, durch den die zu versprühende Flüssigkeit zugeführt wird, zu entkoppeln. Die Außenhaut soll heiß gehalten werden, um auf der Außenhaut eine Unterschreitung des Schwefelsäuretaupunkts bzw. des Wasserdampftaupunktes zu verhindern. Dadurch können Ablagerungen auf der Außenhaut der Sprühlanze und speziell auch im Bereich der die Ringspaltöffnung definierenden Ringspaltdüse verhindert werden. Auch die Entstehung von Korrosion an der Düsenlanze kann durch Aufheizen der Schleierluft verhindert werden.
14 zeigt einen Längsschnitt durch die Düsenmündung einer weiteren bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zweistoffdüse. Bei dieser Düse ist die Ringspaltdüse in spezieller Weise ausgeführt, indem mittels eines Drallkörpers 154 die Breite des Ringspalts über den Umfang gesehen nicht gleichbleibend ausgeführt ist. Vielmehr sind in dem Drallkörper 154, der vom Düsengehäuse 158 ausgeht und sich abschnittsweise am Ringspaltluftrohr 156 abstützt, Ausnehmungen vorgesehen, die vergleichbar mit einem schräg verzahnten Kegelrad gestaltet sind. Wie in 14 zu erkennen ist, ist der Drallkörper 154 nahe am Düsenmund angeordnet. Durch die Anordnung und spezielle Gestaltung des Drallkörpers 154 wird der austretenden Ringspaltluft ein Drall aufgeprägt, welcher zu einem größeren Strahlöffnungswinkel führt. Im Unterschied zu der in 11 dargestellten Zweistoffdüse ist somit der Drallkörper 154 bis an den Düsenmund vorverlagert. Wichtig ist hierbei, dass unmittelbar an der Düsenmündung 160 zusätzlich zu den Ausnehmungen ein umlaufender Ringspalt vorhanden ist. Die Abschnitte zwischen den Ausnehmungen dürfen direkt an der Düsenmündung 160 keinesfalls Kontakt zur gegenüberliegenden Wand des Ringspaltluftrohres 156 haben, da sonst in diesen Bereichen keine Ringspaltsekundärzerstäubung stattfindet. Die am Ringspaltluftrohr 156 anliegenden Bereiche sind daher, wie in 14 zu erkennen ist, von der Düsenmündung 160 entgegen der Ausströmrichtung etwas zurückversetzt angebracht. Dadurch kann eine präzise Zentrierung des Ringspaltluftrohres 156 zum Düsengehäuse 158 und damit eine präzise Einstellung der Ringspaltöff nung erreicht werden. Da die auch als Zentrierspitzen bezeichneten an der Innenwand des Ringspaltluftrohres 156 anliegenden Abschnitte des Zentralkörpers 154 von der Düsenmündung 160 etwas zurückgesetzt angebracht sind, kann sich die Nachlaufströmung dieser auch als drallerzeugenden Störkörper zu bezeichnenden Zentrierspitzen im Strömungsfeld auf dem Weg zur Düsenmündung 160 der Ringspaltdüse wieder auffüllen.
Der Drallkörper 154 kann mit dem Düsengehäuse 158 verbunden oder sogar einstückig mit dem Düsengehäuse 158 ausgebildet sein. Bei der in 14 dargestellten Ausführungsform sind die Ausnehmungen, die jede für sich genommen eine Sekundärluftdüse bilden, zwischen den sich im Bereich des Düsenmundes gegenüberliegenden Bauteilen ausgebildet, nämlich dem Düsengehäuse 158 und dem Ringspaltluftrohr 156. Auf diese Weise kann nicht nur eine exakte Zentrierung des Ringspaltluftrohres und eine exakte Einstellung der Ringspaltweite, sondern auch eine konstruktiv einfache und leicht herzustellenden Anordnung geschaffen werden.

1: Zu zerstäubende Flüssigkeit, beladen mit Feinpartikeln und größeren Belagsplättchen
2: Zentrales Lanzenrohr für die Flüssigkeitszufuhr zur Mischkammer der Zweistoffdüse
3: Zweistoff-Laval-Düse
4: Lanzenrohr für die Zuleitung des Druckgases zur Zweistoffdüse
5: Bohrungen für die Einleitung des Druckgases in die Mischkammer
6: Druckgas, insbesondere Druckluft
7: Mischkammer der Zweistoffdüse, zusammengesetzt aus einem primären Mischkammerbereich L₁ und einem sekundären Mischkammerbereich L₂
8: Austritt N4 der Zweistoffdüse 9
9: Zweistoffgemisch aus Druckgas und Flüssigkeitstropfen in in die Mischkammer
10: Flüssigkeitsdüse für die Einleitung der Flüssigkeit in die Mischkammer
11: Zentralpin für die primäre Zerteilung der Flüssigkeit
12: Verbindungsstege zwischen dem Zentrapin und dem Haltering an der Flüssigkeitseintrittsdüse
13: Haltering für den Zentralpin an der Flüssigkeitseintrittsdüse
14: Furchen längs Mantellinien auf dem Zentralpin
15: Kaulquappenschwanz des Zentralpins mit der Länge L_P
16: Flüssigkeitsfilm auf dem Zentralpin
17: Diskrete Flüssigkeitsstrahlen, die aus den Furchen des Zentralpins austreten
18: Dünne Flüssigkeitslamelle an der Engstelle N₂, die in Tropfen zerfällt
19: Durchströmzwickel für die Druckluft zwischen benachbarten Flüssigkeitsstrahlen 17
20: Querschnitt an der Engstelle N₂ zwischen Zentrapin und Mischkammerwand
21: Querschnitt an der Engstelle N₃
22: Querschnitt an der Engstelle N₄ bzw. Düsenaustrittsquerschnitt
23: Größter Durchmesser des Zentralpins D_P
24: Länge L₁ des primären Mischkammerabschnitts
25: Länge L₂ des sekundären Mischkammerabschnitts
26: Gesamtlänge L der Mischkammer
27: Kegelwinkel des Zentrapins β
28: Winkel α zwischen der Tangente an den Zentralpin und an die Mischkammerwand im Bereich der auftreffenden Flüssigkeitsstrahlen
29: Flüssigkeitsfilm auf den Mischkammerwänden
30: Tropfen, die sich von dem Flüssigkeitsfilm auf der Mischkammerwand ablösen
31: Tropfenstrahl am Eintritt in ein sekundäres gasförmiges Fluid, z. B. in Rauchgas
32: Ringspaltdüse
33: Ringspalt mit kegeligem oder sternförmigem Querschnitt
34: Ringspaltluft
35: Primärer Druckraum für die Druckluftversorgung der Zweistoffdüse
36: Druckraum für den Zerstäubungsluftanteil, der über die Mischkammer geführt wird
37: Druckraum für die Ringspaltluft der Bündelkopfdüse
38: Rauchgas bzw. sekundäres gasförmiges Fluid, in welches eingesprüht wird
39: Flüssigkeitsstrahl am Austritt der Flüssigkeitsdüse 10
40: Düseninnenwand bzw. Mischkammerwand
41: Schirmförmige Flüssigkeitslamelle
42: Zentralstrahl größerer Tropfen
43: Drallkörper in der Flüssigkeitszuleitung zur Mischkammer
44: Rand des Zentralpins
45: Größere Belagsblättchen
46: Luftströmung am Eintritt in die Mischkammer
47: Kernluftstrahl mit geringer Tropfenbeladung
48: Düsenmund
49: frei
50: Düsenachse, Mittellängsachse der Düse
51: Mischkammerwand im Bereich des Auftreffens der Wasserstrahlen 17
52: Übergangsteil vom zentralen Lanzenrohr 2 zur Mischkammer bzw. zur Flüssigkeitsdüse 10
53: Furchen an der Wand der Zentralbohrung der Flüssigkeitsdüse 10
54: Innenkreisdurchmesser einer Flüssigkeitsdüse mit Furchen
55: Druckluftstrahlen hoher Geschwindigkeit
56: Geraden zur Verdeutlichung des weitgehend geradlinigen Verlaufs der mit Tropfen beladenen Druckluftströmung in einer Mischkammer
57: Kelchförmige Erweiterung der Flüssigkeitsdüse 10 zur Mischkammer 7 hin
58: Überwurfmutter
59: Luftdurchtrittsbohrungen in der Überwurfmutter 58
60: Überströmbohrungen für die Ringspaltluft
61: Zentrierring für die Ringspaltdüse 62 an der Überwurfmutter 58
62: Ringspaltdüse
63 bis 99: frei
100: Eintrittsöffnung
102: zentraler Fluidauslass
104: Düsengehäuse
110: Eintrittsöffnung
112: Zuführungsrohr
114: Wand in der Mischkammer
116: Engstelle
118: Wand in der Mischkammer
120: Düsenaustrittsöffnung
122: Düsengehäuse
124: Ringspaltluftrohr
126: Ringspaltöffnung
128: Drallkörper
130: Stromaufwärts gelegener Abschnitt des Düsengehäuses
132: Stromabwärts gelegener Abschnitt des Düsengehäuses
134: Eintrittsöffnung für zu zerstäubendes Fluid
136: Zuführrohr für zu zerstäubendes Fluid
138: Haltesteg
140: Zentralpin
142: Rohr zur Trennung Ringspaltluftzuführung und Zerstäubungsluftzuführung
144: breiteste Stelle des Zentralpins 140
146: kegelförmige Erweiterung stromabwärts der Eintrittsöffnung 134
148: Rohr
150: Zweistoffdüse
152: Schleierluftdüse
154: Drallerzeuger
156: Ringspaltluftrohr
158: Düsengehäuse
160: Düsenmund

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 2007/098865 A1 [0090]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Joos, F., Simon, B., Glaeser, B., Donnerhack, S. (1993): Combuster Development for Advanced Helicopter Engines, MTU FOCUS 1/93 [0006]

Claims

Zweistoffdüse mit einem Düsengehäuse, wobei das Düsengehäuse wenigstens einen ersten Fluideinlass für zu zerstäubendes Fluid, einen zweiten Fluideinlass für gasförmiges Fluid, eine Mischkammer, eine Düsenaustrittsöffnung und eine die Düsenaustrittsöffnung umgebende Ringspaltöffnung aufweist, wobei innerhalb des Düsengehäuses Mittel zum Erzeugen eines Films aus zu zerstäubendem Fluid auf einer Wand in der Mischkammer und Eintrittsöffnungen zum Einleiten von gasförmigem Fluid in der Mischkammer vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsöffnungen und die Mischkammer so ausgerichtet und ausgebildet sind, um das gasförmige Fluid im wesentlichen parallel zu der Wand ausgerichtet in die Mischkammer einzuleiten und das gasförmige Fluid innerhalb der Mischkammer im wesentlichen parallel an der Wand vorbeizuführen.
Zweistoffdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsöffnungen für gasförmiges Fluid in die Mischkammer in einem Winkel zwischen 0 Grad und 30 Grad zu der Wand im ersten Drittel der Länge der Mischkammer ausgerichtet sind.
Zweistoffdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelachsen der Eintrittsöffnungen für gasförmiges Fluid zu einer Mittellängsachse der Mischkammer so geneigt sind, dass die Mittelachsen der Eintrittsöffnungen in Strömungsrichtung auf die Mittellängsachse der Mischkammer zulaufen.
Zweistoffdüse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelachsen der Eintrittsöffnungen die Mittellängsachse der Mischkammer nicht schneiden.
Zweistoffdüse nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelachsen der Eintrittsöffnungen auf der Mantelfläche eines gedachten Rotationshyperboloids liegen.
Zweistoffdüse nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Mischkammer weiter Tropfenbeladungsmittel vorgesehen sind, um das gasförmige Fluid wenigstens in von der Wand mit dem Flüssigkeitsfilm entfernt liegenden Bereichen, die nicht durch Reibung zwischen Flüssigkeitsfilm und gasförmigen Fluid abgebremst werden, mit Fluidtropfen zu beladen.
Zweistoffdüse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Tropfenbeladungsmittel einen Zentralpin aufweisen, wobei eine Eintrittsöffnung für zu zerstäubendes Fluid auf eine Spitze des Zentralpins gerichtet ist und sich der Zentralpin ausgehend von der Spitze kegelartig bis zu einer Stelle maximalen Durchmessers erweitert, wo bei das gasförmige Fluid innerhalb der Mischkammer an der Stelle maximalen Durchmessers des Zentralpins vorbeigeleitet wird.
Zweistoffdüse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erzeugen eines Films aus zu zerstäubenden Fluid wenigstens ein Hindernis im Strömungsweg des zu zerstäubenden Fluids aufweisen, um das zu zerstäubende Fluid mittels seiner Strömungsenergie in Teilströme aufzuteilen.
Zweistoffdüse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erzeugen eines Films einen Dralleinsatz stromaufwärts des Fluideinlasses in die Mischkammer aufweisen.
Zweistoffdüse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erzeugen eines Films und/oder die Tropfenbeladungsmittel aus zu zerstäubendem Fluid einen Zentralpin aufweisen, wobei eine Eintrittsöffnung für zu zerstäubendes Fluid auf eine Spitze des Zentralpins gerichtet ist und sich der Zentralpin ausgehend von der Spitze zunächst kegelartig erweitert.
Zweistoffdüse nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentrapin im Bereich seiner, der Eintrittsöffnung für zu zerstäubendes Fluid zugewandten Anströmseite mit wenigstens zwei Kanälen oder Furchen versehen ist, die von einer Spitze des Zentralpins bis zu einer Stelle größten Durchmessers des Zentralpins laufen.
Zweistoffdüse nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle oder Furchen auf den Mantellinien des Zentralpins oder geneigt hierzu verlaufen.
Zweistoffdüse nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentralpin in Strömungsrichtung gesehen anschließend an einen Bereich maximalen Durchmessers einen sich verjüngenden Nachlaufkörper aufweist.
Zweistoffdüse nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentralpin die Form eines Doppelkegels aufweist.
Zweistoffdüse nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand in der Mischkammer im wesentlichen parallel zu dem sich verjüngenden Nachlaufkörper des Zentralpins angeordnet ist.
Zweistoffdüse nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass sich der freie Strömungsquerschnitt der Mischkammer in Strömungsrichtung gesehen im Verlauf des Nachlaufkörpers des Zentralpins verringert.
Zweistoffdüse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittelachsen der Eintrittsöffnungen für das gasförmige Fluid in die Mischkammer im wesentlichen parallel zu den Außenwandungen des Nachlaufkörpers des Zentralpins angeordnet sind.
Zweistoffdüse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zentralpin in Form eines Doppelkegels ausgebildet ist, wobei der Bereich minimalen Querschnitts der Mischkammer auf Höhe der stromabwärts liegenden Spitze des Doppelkegels angeordnet ist.
Zweistoffdüse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein freier Querschnitt der Mischkammer zunächst verjüngt und dann anschließend an einen Bereich minimalen Querschnitts diesen beibehält oder sich wieder erweitert.
Zweistoffdüse nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Mischkammer in Form eines Hohlkegelstumpfes zunächst verjüngt und ausgehend von einer Stelle geringsten Querschnitts in Form eines weiteren Hohlkegelstumpfes wieder erweitert, wobei Mittelachsen der Eintrittsöffnungen für das gasförmige Fluid in die Mischkammer parallel zur Innenwand der Mischkammer im sich verjüngenden Hohlkegelstumpf ausgerichtet sind.
Zweistoffdüse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erzeugen eines Films aus zu zerstäubendem Fluid einen Zentralpin aufweisen, wobei eine Eintrittsöffnung für zu zerstäubendes Fluid auf eine Spitze des Zentralpins gerichtet ist und der Zentralpin mittels wenigstens zwei sich radial erstreckenden Stegen mit dem, eine Wand der Mischkammer definierenden Düsengehäuse verbunden ist.
Zweistoffdüse nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die, die Düsenaustrittsöffnung umgebende Ringspaltöffnung zwischen dem, eine Wand der Mischkammer definierenden Düsengehäuse und einem Ringspaltrohr definiert ist, wobei stromaufwärts der Ringspaltöffnung zwischen dem Düsengehäuse und dem Ringspaltrohr ein Drallkörper angeordnet ist.
Zweistoffdüse nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Ringspaltöffnung wenigstens abschnittsweise umgebende Schleierluftdüse vorgesehen ist.
Bündeldüse zum Zerstäuben von Fluiden, gekennzeichnet durch wenigstens zwei Zweistoffdüsen nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Verfahren zum Zerstäuben von Fluiden mittels einer Zweistoffdüse mit wenigstens einem Fluideinlass für gasförmiges Fluid und wenigstens einem Fluideinlass für zu zerstäubendes Fluid sowie einer Mischkammer mit folgenden Schritten: – Erzeugen eines Films aus zu zerstäubenden Fluid auf einer Wand in der Mischkammer, – Erzeugen eines Stroms aus gasförmigen Fluid innerhalb der Mischkammer und im wesentlichen paralleles Vorbeiführen des Stroms an dem Flüssigkeitsfilm innerhalb der Mischkammer, – Erzeugen eines Ringspaltstroms aus gasförmigem Fluid an einer Ringspaltöffnung stromabwärts der Mischkammer und – Zerstäuben des Films an der Ringspaltöffnung.
Verfahren nach Anspruch 25, gekennzeichnet durch Beladen des Stroms aus gasförmigen Fluid mit Tropfen aus zu zerstäbendem Fluid innerhalb der Mischkammer wenigstens in Bereichen, die von der Wand mit dem Film aus zu zerstäubendem Fluid entfernt liegen.
Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, gekennzeichnet durch Aufteilen eines Stroms aus zu zerstäubendem Fluid in Teilströme mittels der Strömungsenergie des Stroms aus zu zerstäubendem Fluid.
Verfahren nach Anspruch 25, 26 oder 27, gekennzeichnet durch – Erzeugen eines Schleierluftstroms aus gasförmigem Fluid, der den Ringspaltluftstrom wenigstens unmittelbar stromabwärts der Ringspaltöffnung umgibt.
Verfahren nach Anspruch 28, gekennzeichnet durch Aufheizen des Schleierluftstroms.