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Die
Erfindung betrifft eine Zweistoff-Schaftdüse bestehend aus einem Anbaublock
mit Anschlüssen
und getrennten Transportkanälen
für ein Kühlmedium
und ein Zerstäubermedium,
einem mit dem Anbaublock verbundenen und getrennte Transportkanäle für das Kühlmedium
und das Zerstäubermedium
aufweisenden Düsenschaft,
einem Mischkopf zur Bildung eines Zweistoffgemisches aus Kühlmedium
und Zerstäubermedium
und einem Mundstück
zur Ausbildung eines gewünschten
Spritzbildes, sowie weiters eine Stranggießanlage mit einer Anordnung
von Zweistoff-Schaftdüsen.
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In
Stranggießanlagen
zur Erzeugung eines Gussstranges beliebigen Querschnitts wird die
Oberfläche
des Gussstranges mit einem Kühlmedium, vorzugsweise
mit Kühlwasser,
gekühlt.
Das Kühlwasser
wird hierbei mit Überdruck
auf den heißen
Strang gesprüht.
Um eine gleichmäßige Kühlwasserbeaufschlagung
und Abkühlung
des Gussstranges zu erreichen, werden Spritzdüsen verwendet, die das Kühlwasser
zerstäuben.
Je nach Gießbreite
werden eine oder mehrere Düsen über die
Breite des Gussstranges in mehreren Reihen hintereinander entlang der
Kühlzone
im Strangführungsgerüst der Stranggießanlage
angeordnet.
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Zum
feinen Verteilen einer Flüssigkeit
hat sich das sogenannte Zweistoffversprühen bewährt, bei dem mit einem Gas
vermischte Flüssigkeit über eine
Düse versprüht wird.
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Es
sind Spritzdüsen
bekannt (
DE 34 25 092 A1 ,
DE 35 29 337 A1 ,
DE 39 15 210 A1 ),
die eine Mischkammer aufweisen, in der Kühlflüssigkeit mit Luft vorgemischt
wird, anschließend
dieses Kühlflüssigkeit-Wasser-Gemisch über eine
mehr oder weniger lange Transportleitung zu Mundstücken gefördert wird,
wo dieses Kühlflüssigkeit-Wasser-Gemisch durch
Düsenöffnungen
austritt und eine gewünschte Kühlmittelapplikation
auf dem Gussstrang erzeugt. Die Transportleitung wird von einem
Rohr gebildet, dessen Innendurchmesser genau auf die Kühlmitteldurchsatzmenge
abgestimmt sein muss, damit es nicht zu einer Entmischung des Kühlmittel-Wasser-Gemisches
kommt. Wegen der vorherrschenden Zweiphasenströmung in dieser Transportleitung ändert sich
das Druck/Durchsatz-Kennfeld der Düse merklich bei einer Änderung
der Transportleitungslänge.
Bei den beengten Platzverhältnissen
in Strangführungsgerüsten sind
unterschiedliche Transportleitungslängen jedoch unvermeidlich.
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Derartige
Entmischungsprobleme treten bei bekanten Düsen nicht auf, wenn das Kühlflüssigkeit-Wasser-Gemisch
zwischen Mischkammer und Mundstück
nur eine sehr kurze Wegstrecke zurückzulegen hat (US-A 4,349,156
und
DE 198 41 401 ). Der
Einsatz derartiger Düsen
erfordert jedoch einen hohen Verrohrungsaufwand mit getrennten Zuleitungen
für Kühlmittel
und Luft und ist bei hoher Bestückung
in eng verbauten Einsatzzonen, wie beispielsweise einem Strangführungsgerüst mit hohen
Investitions- und Erhaltungskosten behaftet.
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Eine
Zweistoff-Schaftdüse
der eingangs beschriebenen Art ist aus der
DE 44 34 944 C2 bekannt.
Mit einem langen in einem Kugelgelenk abgestützten Düsenschaft ragt diese räumlich schwenkbare
Düse in
den Innenraum eines Abgas- bzw. Rauchkanals und ermöglicht durch
die besondere Ausbildung der Mischkammer und der Austrittsdüse nach
Art einer Lavaldüse
den Eintrag einer verdüsten Flüssigkeit
mit Überschallgeschwindigkeit
in beliebiger Richtung. Diese Zweistoff-Schaftdüse ist jedoch aufgrund ihrer
spezifischen Ausgestaltung und ihres abweichenden Einsatzgebietes
nicht geeignet, einen gleichmäßigen Kühlmittelauftrag
und Anpassungen an gewünschte
Spritzbilder auf beispielsweise einem Gussstrang in einer Stranggießanlage
zu ermöglichen.
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Die
Erfindung bezweckt die Vermeidung dieser Nachteile und Schwierigkeiten
und stellt sich die Aufgabe, eine Vorrichtung zu schaffen, welche
einen weiten Variationsspielraum hinsichtlich Durchsatz und Schaftlänge der
Düsen ermöglicht,
ohne dass es zu gravierenden Abweichungen im Druck/Durchsatzkennfeld
der Düsen
kommt. Weiters ist es Ziel der Erfindung, eine Stranggießanlage
unter Verwendung der erfindungsgemäßen Zweistoff-Schaftdüsen vorzuschlagen,
bei der der Abstand des Düsenmundstückes zur
Gussstrangoberfläche
konstant gehalten und trotz der beengten Platzverhältnisse
gleiche Spritzbedingungen an allen Düsen bei Minimierung des Verrohrungsaufwandes
erreicht werden kann.
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Die
Aufgabe wird bei einer Zweistoff-Schaftdüse der eingangs beschriebenen
Art dadurch gelöst,
dass im Transportkanal für
das Zerstäubermedium
eine auswechselbare Mengenreguliereinrichtung angeordnet ist und
die Mengenreguliereinrichtung, der Düsenschaft, der Mischkopf und
das Mundstück als
voneinander getrennt auswechselbare Bauteile eines Modulsystems
ausgebildet sind.
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Vorzugsweise
ist die Mengenreguliereinrichtung von einer Lochblende gebildet.
Durch Wahl der Blendenöffnung
im Transportkanal des Zerstäubermediums
können
der Durchsatz und das Mischungsverhältnis des Zweistoffgemisches
(Kühlmittels)
beliebig aufeinander abgestimmt werden.
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Eine
die Montage begünstigende
Ausführungsform
ist gegeben, wenn die Mengenreguliereinrichtung im Anbaublock eingangsseitig
im Transportkanal für
das Zerstäubungsmedium
angeordnet ist.
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Günstige Mischungsbedingungen
für Kühlmedium
und Zerstäubermedium
ergeben sich, wenn der Mischkopf in den Transportkanal des Zerstäubermediums
ragt und einen Eintrittskanal und mindestens zwei Austrittskanäle für das Kühlmedium
aufweist, wobei die Austrittskanäle
so angeordnet sind, dass die Strömungsrichtung
des austretenden Kühlmittels
schräg,
vorzugsweise quer zur Hauptströmrichtung
des Zerstäubermediums
orientiert ist. Eine möglichst
radialsymmetrische Verteilung der Austrittskanäle gewährleistet beste Mischungsbedingungen.
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Geringe
Reibungsverluste für
Kühlmedium und
Zerstäubermedium
und damit minimierte Einflüsse
auf das Druck/Durchsatz-Kennfeld stellen sich in der Düse ein,
wenn der Düsenschaft
von zwei konzentrisch angeordneten Rohren gebildet ist, wobei das
Innenrohr als Transportkanal für
das Kühlmedium
austrittsseitig mit dem Mischkopf lösbar verbunden ist und der
Ringraum zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr als Transportkanal
für das
Zerstäubungsmedium
ausgebildet ist. Die Durchmesser der Rohre werden bevorzugt so gewählt, dass
die Druckverluste bei maximalem Durchsatz zu vernachlässigen sind.
Eine konstruktiv einfache Ausgestaltung ergibt sich, wenn vom Mischkopf
und dem ihn im Abstand umgebenden Außenrohr eine Mischkammer zur
Erzeugung eines Zweistoffgemisches gebildet wird. Hierbei bildet
die Innenwand des Außenrohres an
den den Austrittskanälen
des Mischkopfes für
das Kühlmedium
gegenüber
liegenden Bereichen Prallflächen
für die
Zerstäubung
des Kühlmediums.
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Zur
Verwirklichung der modularen Strukturierung ist das spritzbildbildende
Mundstück
der Düse lösbar am
Außenrohr
befestigt und es weist eine schlitzförmige Austrittsöffnung für das Zweistoffgemisch
auf, die in Richtung der Längsachse
der Zweistoff-Schaftdüse
offen ist.
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Einen
wesentlichen Beitrag zur Minimierung der Reibungsverluste ergibt
sich, wenn der Transportkanal des Zerstäubermediums und damit dessen Hauptströmungsrichtung
vom Austritt aus dem Anbaublock bis zum Austritt aus dem Mundstück der Längsachse
der Zweistoff-Schaftdüse
folgt. Da nach einer vorteilhaften Ausgestaltung die Außenwand
der Mischkammer von der Innenwand des Außenrohres gebildet ist, wird
so ein durchgehend glatter Strömungskanal
für das
Zerstäubermedium
geschaffen.
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Um
kurze Montagezeiten der Zweistoff-Schaftdüse zu gewährleisten weist der Anbaublock
eine ebene Anschlussfläche
auf, in der die Transportkanäle
für Kühlmedium
und Zerstäubungsmedium
Eintrittsöffnungen
bilden und in der konzentrisch zu den Eintrittsöffnungen Ringnuten für die Aufnahme
von Dichtringen angeordnet sind. Andockelemente für Zweistoff-Schaftdüsen in einer
zentralen Medienversorgung einer Anlage weisen deckungsgleiche Anschlussflächen mit
spiegelbildlich angeordneten Austrittsöffnungen für Kühlmedium und Zerstäubermedium
auf. Beide Anschlussflächen
sind durch Schnellverschlüsse
dichtend aneinander gepresst.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform, die
eine besonders schnelle Montage und Auswechslung einer Zweistoff-Schaftdüse ermöglicht,
ist der Schnellverschluss von Befestigungsschrauben oder Klemmbügel gebildet,
die an einem der beiden Bauteile, Anbaublock oder Andockelement, schwenkbar
angeordnet sind und am jeweils anderen Bauteil in U-förmige Ausnehmungen
dieses Bauteils einschiebbar und klemmbar ausgebildet sind. Vorzugsweise
ist der Schnellverschluss am Andockelement, d.h. auf seiten der
Medienversorgungsleitung schwenkbar angelenkt.
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Einen
besonderer Anwendungsbereich für diese
erfindungsgemäßen Zweistoff-Schaftdüsen bietet
eine Stranggießanlage,
die zur Stützung
des heißen
Stranges mit einem dichten Stützrollenkorsett in
einem Strangführungsgerüst ausgerüstet ist.
Dieses Strangführungsgerüst bildet
gleichzeitig eine Kühlzone
für den
heißen
Metallstrang, in der mit einer Vielzahl von Spritzdüsen Kühlmittel
zwischen den Strangführungsrollen
auf den Gussstrang gesprüht wird.
Dies bedingt eine unfangreiche Rohrleitungstechnik. Damit der Abstand
der Düsen
zur Gussstrangoberfläche
konstant gehalten werden kann und trotz der beengten Platzverhältnisse
gleiche Spritzbedingungen an allen Düsen bei Minimierung des Verrohrungsaufwandes
erreicht werden kann, wird eine Stranggießanlage zur Erzeugung gegossener
Metallstränge
mit einer von Strangführungsrollen
gebildeten Kühlzone
für den
heißen
Metallstrang und zentralen Versorgungsleitungen für Kühlmedium
und Zerstäubermedium
vorgeschlagen, die mit Andockelementen für Zweistoff-Schaftdüsen bestückt sind
und mit Anbaublöcken
der Zweistoff-Schaftdüsen
nach einem der Ansprüche
1 bis 12 verbunden sind.
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Vorteilhaft
weist jedes Andockelement in der Stranggießanlage eine Gegenanschlussfläche auf,
in der die Transportkanäle
für Kühlmedium
und Zerstäubermedium
Austrittsöffnungen bilden
und in der konzentrisch zu den Austrittsöffnungen Ringnuten für die Aufnahme
von Dichtringen angeordnet sind, welche Gegenanschlussfläche mit
einer Anschlussfläche
des Anbaublockes der Zweistoff-Schaftdüse mit Verbindungselementen
dichtend aneinander pressbar ausgebildet ist.
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Weiter
Merkmale und Vorteile der Erfindung sind nachfolgend anhand mehrerer
Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Dabei
zeigen
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die 1 eine
erfindungsgemäße Zweistoff-Schaftdüse in einem
Längsschnitt,
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die 2 und 3 die
erfindungsgemäße Zweistoff-Schaftdüse in Verbindung
mit der zentralen Medienversorgung einer Stranggießanlage,
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die 4 die
Anwendung der erfindungsgemäßen Zweistoff-Schaftdüsen in der
Strangführung einer
Stranggießanlage,
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die 5a, 5b, 5c eine
bevorzugte Ausführungsform
der Verbindung von Zweistoff-Schaftdüse und zentraler
Medienversorgung,
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die 6 bis 9 Druck/Durchsatz-Kennfelder
der erfindungsgemäßen Zweistoff-Schaftdüse bei unterschiedlichen
Düsenlängen.
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Die 1 zeigt
eine Zweistoff-Schaftdüse der
erfindungsgemäßen Art,
wie sie in Stranggießanlagen
zur Temperaturführung
an einem stranggegossenen Produkt eingesetzt wird. Sie besteht aus
einem Anbaublock 10, einem Düsenschaft 20, einem Mischkopf 30 und
einem Mundstück 40.
Diese Elemente der Zweistoff-Schaftdüse sind als voneinander getrennt
auswechselbare Bauteile eines Modulsystems konzipiert und erlauben
eine schnelle Montage der Düse
und deren Anpassung an unterschiedliche geometrische Bedingungen
in der Stranggießanlage und
metallurgische Anforderungen an das erzeugte Produkt.
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Der
Anbaublock 10 weist eine ebene Anschlussfläche 11 auf,
in die getrennte Transportkanäle
für ein
Kühlmedium 12,
wie vorwiegend Kühlwasser,
und ein Zerstäubungsmedium 13 münden. Die jeweiligen
Eintrittsöffnungen
sind im Abstand von konzentrischen Ringnuten 14, 15 umgeben,
in die Dichtringe 16, 17 eingelegt sind. Mit dem
Anbaublock 10 ist die Zweistoff-Schaftdüse an Medien-Versorgungsleitungen
der Stranggießanlage
dichtend angeschlossen (2 und 3). Eine
als Lochblende ausgebildete Mengenreguliereinrichtung 18 ist
in den Transportkanal für
das Zerstäubermedium 13 eingesetzt
und wird entsprechend den örtlichen
Anforderungen an den Mengendurchsatz bei der Montage ausgewählt.
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An
den Anbaublock 10 schließt ein Düsenschaft 20 an, der
von zwei konzentrischen Rohren gebildet ist, wobei das Innenrohr 21 den
Transportkanal 12 für
das Kühlmedium
und der Ringraum 22 zwischen dem Innenrohr 21 und
dem Außenrohr 23 den Transportkanal 13 für das Zerstäubermedium
bildet und weiterführt.
Beide Rohre sind mit einer Schraubverbindung leicht lösbar im
Anbaublock 10 fixiert. Die Länge der beiden Rohre richtet
sich nach den geometrischen Bedingungen in der Stranggießanlage und
liegt im Strangführungsgerüst zwischen
50 und 1200 mm. Der Düsenschaft
kann mehrfach gekröpft geformt
sein, wobei hier Kröpfungen
bis zu 15° zulässig sind.
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Der
im Zentrum des Düsenschaftes 20 geführte und
vom Innenrohr 21 gebildete Transportkanal 12 für das Kühlmedium
endet innerhalb des Außenrohres 23 mit
einem in das Innenrohr 21 eingeschraubten Mischkopf 30.
Der Ringraum 22 wird im Bereich des Mischkopfes 30 von
diesem und der Innenwand des Außenrohres 23 mit
unverändertem Querschnitt
aufrechterhalten und bildet hier eine Mischkammer 25 zur
Erzeugung eines Zweistoffgemisches. Innerhalb des Mischkopfes 30 wird
das entlang der Düsenlängsachse 24 strömende Kühlmedium
radial nach außen
umgelenkt und verläßt den Mischkopf 30 durch
mehrere radialsymmetrisch verteilte Austrittsöffnungen 31. Das ausströmende Kühlmedium
trifft hierbei auf die Innenwand des Außenrohres 23, welches
in diesem Bereich Prallflächen 32 für die Zerstäubung des
Kühlmediums
bildet. Das den Ringraum 22 mit hoher Geschwindigkeit durchströmende Zerstäubermedium
transportiert das zerstäubte
Kühlmedium
im Innenraum des Außenrohres 23 zum
Mundstück 40 der
Zweistoff-Schaftdüse, das entsprechend
dem gewünschen
Spritzbild eine Durchtrittsöffnung 41 aufweist,
die im vorliegenden Ausführungsbeispiel
zur Ausbildung eines Flachstrahls schlitzförmig und in Richtung der Düsenlängsachse 24 positioniert
ist. Zur Ausbildung anderer Spritzbilder und Kühlmittelmengenverteilungen
sind beliebig anders gestaltete Durchtrittsöffnungen ausführbar. Das
Mundstück 40 ist
mit einer Überwurfmutter 42 am
Außenrohr 23 leicht
auswechselbar befestigt.
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Der
Anbaublock 10 der Zweistoff-Schaftdüse ist mittels eines als Schraubverbindung
ausgebildeten Schnellverschlusses 44 mit einem Andockelement 45 der
Medienversorgungsleitungen der Stranggießanlage dichtend verbunden,
wobei der Anbaublock mit seiner ebenen Anschlussfläche 11 an
einer Gegenanschlussfläche 46 des
Andockelementes 45 anliegt (2 und 3).
Das Andockelement 45 umfasst wiederum Transportkanäle für Kühlmedium
und Zerstäubungsmedien
und eine ebene Gegenanschlussfläche 46,
die zur Anschlussfläche 11 korrespondiert.
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4 zeigt
in schematischer Darstellung einen Längsschnitt durch eine Strangführung einer Stranggießanlage
und die Anordnung der Zweistoff-Schaftdüsen. Der Gussstrang 50 wird
an seiner Ober- und Unterseite von hintereinander eng benachbart
angeordneten Stützrollen 51, 52 gestützt und
geführt.
Durch den engen Spalt zwischen benachbarten Stützrollen wird Kühlmittel
in Form eines schmalen Fächers
mittels der erfindungsgemäßen Zweistoff-Schaftdüsen 1 auf
den Gussstrang 50 dosiert aufgebracht. Die Zweistoff-Schaftdüsen sind
mit den Anbaublöcken 10 an
den zentralen Medienversorgungsleitungen 53 angeschlossen,
die in einem für
die Monteure leicht zugänglichen
Bereich der Stranggießanlage
liegen.
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Die 5a bis 5c zeigen
eine bevorzugte Ausführungsform
der Anbindung der erfindungsgemäßen Zweistoff-Schaftdüse an die
zentrale Medienversorgung einer Stranggießanlage, mit einem von Befestigungsschrauben 60 gebildeten
Schnellverschluss 44. 5a zeigt
den Anbaublock 10 der Zweistoff-Schaftdüse 1 in Verbindung
mit dem Andockelement 45 der Medienversorgungsleitung 53. Der
Anbaublock 10 und das Andockelement 45 und damit
die Transportkanäle
für das
Kühlmittel 12 und das
Zerstäubermedium 13 werden
zueinander durch den Zentrierstift 61 justiert und mit
den Befestigungsschrauben 60 dichtend aneinander gepresst.
Wie in 5c dargestellt, durchsetzen
die Befestigungsschrauben 60 das Andockelement 45 in
Durchgangsbohrungen 62, die einen gegenüber dem Durchmesser des Schaftes
der Befestigungsschrauben soviel größeren Durchmesser aufweisen,
dass ein für
die Montage und Demontage der Zweistoff-Schaftdüsen ausreichendes Ausschwenken
der Befestigungsschrauben aus U-förmigen Ausnehmungen 63 (siehe 5b)
des Anbaublockes 10 gewährleistet
ist. Damit entfällt
das Manipulieren von Kleinteilen bei Montagearbeiten.
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Die
Minimierung des Einflusses der Düsenschaftlänge auf
das Druck/Durchfluss-Kennfeld der Zweistoff-Schaftdüse wird
in den 6 und 7 in einer Gegenüberstellung
derartiger Düsen
mit Schaftlängen
von 1000 mm und 100 mm dargestellt, wobei in 6 zusätzlich die
Abhängigkeit
vom Durchsatz des Zerstäubermediums
(Luft) und in 7 zusätzlich die Abhängigkeit
vom Durchsatz des Kühlmediums
(Wasser) dargestellt ist. Die 8 und 9 zeigen
analoge Vergleichskurven bei Zweistoff-Schaftdüsen mit Schaftlängen von
500 mm und 1000 mm, wobei 8 zusätzlich die
Abhängigkeit
vom Luftdurchsatz und in 9 die Abhängigkeit vom Wasserdurchsatz
berücksichtigt
ist. Es zeigt sich in allen möglichen
Betriebszuständen,
dass der Einfluss der Schaftlänge
auf das Druck/Durchfluss-Kennfeld äußerst gering und vernachlässigbar ist.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Anbaublock und
dem dazugehörigen
Düsenschaft
kann ein sehr weites Einsatzfeld von Düsen abgedeckt werden, indem
das Mundstück,
der Mischkopf und die Blenden im Anbaublock variiert werden. Je
nach gewünschtem
Spritzbild wird der entsprechende Düsenmund eingesetzt. Der Durchsatz
und das Mischverhältnis von Zerstäubermedium
und Kühlmedium
werden durch die Wahl des Mischkopfes und der Blenden im Anbaublock
beliebig aufeinander abgestimmt. Die Länge des Düsenschaftes beeinflusst das Druck/Durchsatz-Kennfeld
hierbei kaum.