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Die Erfindung betrifft eine pneumatische Zweistoff-Innenmischdüsenanordnung zur Zerstäubung einer Flüssigkeit mittels eines Gases, umfassend einen Düsenkörper mit einer Mischkammer, in welche wenigstens eine Flüssigkeitszuführung und wenigstens eine Gaszuführung münden und die am stromabwärtigen Ende wenigstens eine Düsenöffnung aufweist, durch welche die in der Mischkammer mit dem Gas gemischte Flüssigkeit zur Umgebung hin zerstäubbar ist.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Zerstäubung einer Flüssigkeit mittels eines Gases, bei dem in eine Mischkammer eines Düsenkörpers über wenigstens eine Zuführung eine Flüssigkeit und über wenigstens eine Zuführung ein Gas eingeleitet und in der Mischkammer gemischt werden, wonach das Flüssigkeits-Gas-Gemisch mittels wenigstens einer am stromabwärtigen Ende der Mischkammer angeordneten Düsenöffnung zur Umgebung hin zerstäubt wird.
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Düsenanordnungen dieser im Stand der Technik bekannten Art sowie die bekannten Verfahren beruhen darauf, innerhalb einer Düsenanordnung eine Flüssigkeit, gegebenenfalls auch mit Partikeln beladene Flüssigkeit, mit einem Gas zu vermischen und aufgrund des Betriebs mit hohen Drücken innerhalb der Mischkammer gegenüber der Umgebung an der Düsenöffnung eine Expansion und damit ein Zerstäuben des Flüssigkeits-Gas-Gemisches zu erzielen. Der für die Zerstäubung benötigte Energieeintrag erfolgt hierbei im Wesentlichen durch das Gas.
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Durch bekannte Düsenanordnungen und bekannte Verfahren dieser Art werden Partikelgrößen der Flüssigkeit von mehreren Mikrometern erzielt. Dabei können. sowohl Flüssigkeitstropfen in dieser Größenordnung als auch Feststoffpartikel erreicht werden, insbesondere dann, wenn als Flüssigkeit ein verdunstendes Lösungsmittel eingesetzt wird.
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Im Stand der Technik ist es dabei als Problem bekannt, dass bei bisherigen Aufbauten und Verfahren im Betrieb im Wesentlichen festzustellen ist, dass bei niedrigviskosen Flüssigkeiten eine Proportionalität von Düsendurchmesser und Tropfendurchmesser gegeben ist, wenn das Produkt aus Düsendurchmesser und Druck konstant gehalten wird. Dies bedeutet, dass zur Erzielung kleinerer Tropfendurchmesser die Düsendurchmesser verringert, gleichzeitig damit aber der Arbeitsdruck einer solchen Düse erhöht werden muss. Aus diesem Grund konnten bislang Tropfenabmessungen nach der Zerstäubung in einem Bereich unterhalb von 1 bis 10 Mikrometer nicht oder nur schwer erschlossen werden. Darüber hinaus ist es als weiteres Problem bekannt, dass bisherige Düsenanordnungen aufgrund von Pfropfenbildung innerhalb einer Mischkammer zu Pulsationen neigen und deshalb zu einem sehr breiten Tropfengrößenspektrum führen. Besonders bei viskosen Flüssigkeiten mit einer dynamischen Viskosität von größer als 0,1 Pa s macht sich die Pulsation bei herkömmlichen Düsen besonders stark bemerkbar.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Zweistoff-Innenmischdüsenanordnung und ein Verfahren zur Zerstäubung von Flüssigkeiten bereitzustellen, mit denen ein sehr gleichmäßiges Zerstäuben einer gewünschten Flüssigkeit erzielt wird und bevorzugterweise der Bereich einer Tröpfchengröße kleiner als 10 Mikrometer Durchmesser bei vergleichsweise hohen Durchsätzen und Beladungen, d. h. Massenstromverhältnissen von Flüssigkeit zum Gas größer als 1 erschlossen wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß konstruktiv dadurch gelöst, dass der Düsenkörper eine innere Ausnehmung aufweist, in die ein Einsatz einsetzbar/eingesetzt ist, an dem eine Vielzahl von Kapillaren befestigt ist, die den Einsatz durchdringen und vom Einsatz ausgehend in die Mischkammer hineinragen. Bevorzugt sind die Kapillaren zumindest in ihrem Anfangsbereich parallel zueinander und in einer Hauptströmungsrichtung verlaufend angeordnet sind. Zwischen den offenen Enden der Kapillaren und der Düsenöffnung ist ein Freiraum angeordnet, der einen sich in Richtung zur Düsenöffnung verjüngenden Querschnitt aufweist.
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Verfahrenstechnisch wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Flüssigkeit durch eine Vielzahl von gasumströmten Kapillaren in die Mischkammer zugeführt wird und aus den Kapillaren austretende Flüssigkeitsligamente vor dem Durchtritt durch wenigstens eine Düsenöffnung in einem der Düsenöffnung vorgelagerten und sich in Richtung zur Düsenöffnung im Querschnitt verjüngenden Freiraum verstreckt werden.
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Dabei wird unter der Hauptströmungsrichtung diejenige Richtung verstanden, in welcher der durch die Düse erzeugte Strahl verläuft, bzw. dessen Maximum. Bei symmetrischen Düsen handelt es sich dabei im Regelfall um die Richtung der Normalen der Ebene, in welcher die Düsenöffnung angeordnet ist.
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Der wesentliche Kerngedanke der Erfindung ist es hier, dass in der Mischkammer des Düsenkörpers eine sehr gleichmäßige Vermischung von Flüssigkeit und Gas erfolgt und diese homogene Vermischung in Form von Flüssigkeitsligamenten bis zur Düsenöffnung innerhalb der Mischkammer erhalten bleibt und erst nach der Düsenöffnung durch die Expansion gegenüber der Umgebung ein Zerstäuben dieses homogenen Gemisches stattfindet. Hierbei wird zum einen zunächst durch die Vielzahl der Kapillaren eine ebenso große Vielzahl von Flüssigkeitsligamenten erzeugt, wobei weiterhin in dem benannten Freiraum aufgrund der Verstreckung die Flüssigkeitsligamente in Richtung auf die Düsenöffnung zu verdünnt werden, d. h. jedes der Flüssigkeitsligamente bildet einen in Richtung zur Düsenöffnung spitzer werdenden Kegel aus. Dabei kann die Gestalt der Ligamente durch die sie begleitende Gasströmung bis zur Düse hin auch wellig werden.
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Die Verstreckung bzw. Verdünnung erfolgt hier deshalb, weil der gesamte Massenstrom durch den Düsenkörper konstant ist und in dem Freiraum aufgrund des verjüngenden Querschnittes in Richtung zur Düsenöffnung die Strömungsgeschwindigkeit in Richtung zur Düsenöffnung zunimmt, deswegen demnach die Flüssigkeitsligamente von den Kapillaröffnungen weg beschleunigt werden.
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Eine Zweistoff-Innenmischdüsenanordnung, bei welcher ein grundsätzlich beliebiges Gas mit einer Flüssigkeit gemischt wird, kann hierbei in einer konstruktiv bevorzugten Ausführungsvariante derart ausgeführt sein, dass sich der innere Querschnitt der Ausnehmung in Strömungsrichtung der Flüssigkeit an einer Stufe verringert, wobei die Stufe in Strömungsrichtung der Flüssigkeit vor der wenigstens einen Gaszuführung angeordnet ist und wobei der Einsatz an der genannten Stufe befestigbar ist, beispielsweise klemmend befestigbar ist.
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Eine solche Düsenkonstruktion hat hierbei den Vorteil, dass der beschriebene Einsatz zum einen austauschbar ist, somit also je nach Anforderungen verschiedene Kapillarlängen oder Durchmesser verwendet werden können und zum anderen, dass durch die Kapillaren selbst die Flüssigkeit in zueinander parallelen Strängen geführt wird, wobei die Kapillaren mit ihren Außenwandungen aufgrund der zumindest anfänglichen parallelen Führung in gleicher Weise zumindest auch im Anfangsbereich der Kapillaren das in die Mischkammer eingeführte Gas ebenso parallel führen. Es ergibt sich dadurch eine besonders homogene Strömung aus Flüssigkeitsligamenten in einer Gasumgebung, da die aus den Kapillaren austretende Flüssigkeit auf einen in derselben Austrittsrichtung geführten Gasstrom trifft. Dies bewirkt eine sehr homogene Vermischung, die in dem Bereich vom Kapillarende bis zur Düsenöffnung erhalten bleibt.
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Durch die Anordnung des Einsatzes in der Ausnehmung in Strömungsrichtung vor der Zuführung des Gases, z. B. an der genannten Stufe bildet der Einsatz gleichzeitig eine Begrenzung der Mischkammer. Die Mischkammer beginnt somit in Strömungsrichtung nach dem Einsatz, wobei in diese Mischkammer zum einen das Gas und durch die Kapillaren die Flüssigkeit zugeführt wird.
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Um bereits innerhalb der Mischkammer sehr feine Flüssigkeitsligamente zu erzeugen, kann es vorgesehen sein, Kapillaren zu verwenden, die einen inneren Austrittsquerschnitt aufweisen, der im Bereich von 80 bis 120 Mikrometer liegt. Bei Düsen für gröbere Tropfen über 100 Mikrometer werden auch deutlich größere Kapillaren bspw. mit Innendurchmessern bis 10 mm eingesetzt. Dabei kann in weiterer Bevorzugung der Kapillareninnendurchmesser zum Düsendurchmesser unabhängig von ihrer absoluten Größe in einem Verhältnis von 1:1 bis 1:4 liegen.
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Eine besonders bevorzugte konstruktive Ausgestaltung ergibt sich dann, wenn die Kapillaren am Einsatz freitragend befestigt sind, wobei hier im Sinne der Erfindung als freitragend verstanden wird, dass die Kapillaren an ihrem in Strömungsrichtung liegenden Kapillaranfang mit dem Einsatz verbunden sind, beispielsweise in Bohrungen des Einsatzes befestigt sind und in Strömungsrichtung nach dem Ende des Einsatzes keine weitere Verbindung mehr untereinander oder zu anderen Elementen aufweisen, somit also jede der einzelnen Kapillaren in Strömungsrichtung beginnend am Einsatz bis zu ihrem Ende frei in der Mischkammer angeordnet ist ohne Kontakt zu einer anderen Kapillare oder z. B. zu einer Innenwandung der Mischkammer aufzuweisen.
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Hierdurch wird erzielt, dass der für das strömende Gas zur Verfügung stehende Querschnitt in der Mischkammer im Bereich vom Einsatz bis zum Kapillarende vollständig gegeben ist durch den Querschnitt der Mischkammer abzüglich der Summe der Außenquerschnitte aller Kapillaren. Es stellen demnach lediglich der Querschnitt der Mischkammer sowie der Querschnitt der Kapillaren Elemente dar, die die Gasströmung begrenzen. Da die Kapillaren zumindest in ihrem Anfangsbereich auf ihrer Erstreckung vom Einsatz in Richtung zum Kapillarende parallel verlaufen, wird demnach zumindest in diesem Bereich in gleicher Weise durch die Außenwandungen der Kapillaren der Gasstrom parallel geführt. Bei einer gebogenen Führung der Kapillaren, würde ebenso der Gasstrom auch dem Verlauf der Kapillaren folgen.
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In einer weiteren konstruktiven Weiterbildung kann es vorgesehen sein, dass der Querschnitt der Ausnehmung im Bereich vom Einsatz bis zum Kapillarende in Strömungsrichtung wenigstens einmal verjüngend ausgebildet ist. Durch diese Querschnittsverjüngung kann beispielsweise eine Beschleunigung des Gasstromes vor Erreichen des Kapillarendes erzielt werden, wobei durch die Verjüngung bzw. den Grad der Verjüngung Einfluss genommen werden kann auf die Schnelligkeit der Gasströmung an den Kapillarenden. Hierbei kann in einer vorteilhaften Weiterbildung der Querschnitt an einer solchen Verjüngungsstelle in seiner Form geändert sein, beispielsweise in Strömungsrichtung vor der Verjüngungsstelle einen runden Querschnitt aufweisen, wohingegen die Mischkammer in Strömungsrichtung nach der Verjüngungsstelle einen mehreckigen Querschnitt, beispielsweise einen sechseckigen Querschnitt aufweisen kann. Dabei können plane Flächenbereiche gerundet ineinander übergehen. Ein mehreckiger Querschnitt ist somit nicht im mathematischen Sinne als Mehreckig zu verstehen.
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Gerade ein solcher mehr-, bevorzugt sechseckiger Querschnitt hat den Vorteil, dass an diesem Querschnitt die Anordnung der Kapillaren angepasst werden kann. Hierfür kann es vorgesehen sein, dass die Kapillaren senkrecht zur Strömungsrichtung in einem mehreckigen, insbesondere sechseckigen Querschnitt gepackt sind. Eine solche Packung kann besonders dann, wenn die Kapillaren jeweils versetzt zueinander, insbesondere in versetzten Reihen angeordnet sind, besonders dicht erfolgen, so dass eine maximale Querschnittsausnutzung gegeben ist, bei welcher eine besonders hohe Anzahl von Kapillaren in einer vorgegebenen inneren Querschnittsweite der Mischkammer erreicht werden kann. In einer bevorzugten Ausführung werden mehr als 16 Kapillaren, bevorzugt wenigstens 19 Kapillaren, am Einsatz befestigt.
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In weiterhin bevorzugter Ausgestaltung kann es in einer möglichen konstruktiven Alternative vorgesehen sein, dass die Kapillaren von ihrem Anfangsbereich, an welchem sie am Einsatz befestigt sind, bis zu ihrem offenen Ende in der Mischkammer parallel zueinander, insbesondere dabei parallel zur Hauptströmungsrichtung verlaufen. Hierbei, sowie auch bei anderen Ausführungen, ist es besonders bevorzugt vorgesehen, dass zur Erzielung eines bei allen Kapillaren gleichen Druckverlustes die Längen und die Querschnitte aller Kapillaren gleich sind.
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Bei den möglichen Ausführungsformen kann es weiterhin vorgesehen sein, dass die offenen Enden der Kapillaren auf einer Teilkugelschale angeordnet sind, deren Mittelpunkt in oder in Strömungsrichtung hinter oder auch vor der Düsenöffnung liegt. Dies hat weiterhin den Vorteil, dass die Strecke vom jeweiligen Ende einer Kapillare bis zur Düsenöffnung für alle Flüssigkeitsligamente, die aus den Kapillaröffnungen austreten, identisch ist. Um gerade bei einer Anordnung der offenen Enden auf einer Teilkugelschale gleiche Längen der jeweiligen Kapillare zu erzielen, kann es vorgesehen sein, dass die Anfangsöffnungen der Kapillare, in die die Flüssigkeit zugeführt wird, am Ort des Einsatzes in gleicher Weise auf einer Teilkugelschale angeordnet sind.
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In einer anderen Ausführungsform, bei welcher ebenso die offenen Enden auf einer Teilkugelschale angeordnet sein können, kann es auch vorgesehen sein, dass die Kapillaren beginnend am Einsatz zunächst parallel verlaufen und an oder vor ihrem Ende jeweils in die Richtung zur Düsenöffnung gebogen sind. Dabei kann das jeweilige Ende der Kapillare kurz vor der Austrittsöffnung wiederum eine gerade Ausrichtung aufweisen, Dabei können die Kapillarenden innerhalb ihrer Wandstärke in einer bevorzugten Ausbildung angespitzt sein, um so eine besonders dichte Aneinanderanordnung der einzelnen Kapillaröffnungen zu erzielen.
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Bei beiden hier alternativ beschriebenen Ausführungsformen, d. h. komplett parallel verlaufenden Kapillaren, ebenso wie den am Endbereich gebogenen Kapillaren, kann es vorgesehen sein, dass keine der Kapillaren exakt zentrisch fluchtend zur Hauptströmungsrichtung auf die Düsenöffnung weist. Eine solche Anordnung wird bevorzugt bei den gebogenen Kapillarenden gewählt.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung, die grundsätzlich mit jeder der vorhergenannten Ausführungen kombinierbar ist, kann es vorgesehen sein, dass der Abstand der Kapillarenden zur Düsenöffnung einstellbar ist. Hierdurch kann festgelegt werden, mit welcher Beschleunigung die Flüssigkeitsligamente gestreckt werden, so dass je nach Viskosität der Flüssigkeit durch dieses Abstandsmaß auch sicher gestellt werden kann, dass die Flüssigkeitsligamente bis zum Durchtritt durch die Düsenöffnung erhalten bleiben, ohne bereits innerhalb der Mischkammer aufzubrechen.
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Um eine Änderung des Abstands zu erzielen, kann es beispielsweise vorgesehen sein, eine Anzahl von Einsätzen vorzuhalten, bei denen die Länge der Kapillaren, ausgehend vom Einsatz bis zur Kapillarenöffnung, unterschiedlich gewählt ist.
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In einer anderen Ausführung kann es auch vorgesehen sein, verschiedene Abstände mit ein- und demselben Einsatz zu erreichen, wofür beispielsweise mit Bezug auf die vorgenannte Konstruktion zwischen dem Einsatz und der vorgenannten Stufe ein Zwischenring in die benannte Ausnehmung eingelegt werden kann. Dieser Zwischenring erzeugt eine Abstandsänderung zwischen den offenen Kapillarenden und der Düsenöffnung um das Maß der Dicke des Zwischenrings.
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In einer anderen Ausführung kann es auch vorgesehen sein, insbesondere dann, wenn die Kapillaren bzw. der gesamte Einsatz innerhalb der inneren Ausnehmung rotiert werden können, dass der Einsatz ein Außengewinde aufweist, welches an einem Innengewinde in der Ausnehmung in Eingriff ist, so dass durch eine Rotation des Einsatzes mit jeder vollständigen Umdrehung der Abstand der Kapillarenden um eine Gewindesteigung variiert werden kann.
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Bei Anordnungen, bei denen die Vielzahl der Kapillaren innerhalb der Ausnehmung nicht rotiert werden kann, beispielsweise bei Packungen mit mehreckigem Querschnitt, kann es vorgesehen sein, dass zur Vereinfachung des Einbaus eines solchen Einsatzes in die Ausnehmung einer erfindungsgemäßen Düsenanordnung eine Verdrehsicherung vorgesehen ist. Eine solche Verdrehsicherung kann beispielsweise am Einsatz und/oder einem Zwischenring vorgesehen sein. Eine solche Verdrehsicherung kann erzielt werden durch einen Formschluss zwischen Einsatz bzw. Zwischenring und der inneren Ausnehmung, insbesondere im Bereich der Stufe. Hierfür kann die Außenkontur des Einsatzes bzw. des Zwischenrings an die Innenkontur der Ausnehmung angepasst sein, z. B. zum Zweck einen Formschluß zu erzielen.
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Beim Betrieb der Düse kann es von Vorteil sein, die in die Kapillaren eintretende Flüssigkeit stromaufwärts bspw. in einem statischen Mischer mit einem Gas zu vermischen. Das Gas kann identisch mit dem stromabwärts für die Zerstäubung beigefügten Gas sein, kann aber auch ein anderer Stoff sein. Bspw. bewirkt CO2 im Fall von Polymerlösungen eine Reduzierung der Viskosität im Vergleich zum Gemisch ohne CO2, wodurch die nachfolgende Zerstäubung zu kleineren Tropfen führt. Aus den Kapillaren tritt im Fall der vorherigen Gaseinmischung je nach Löslichkeit und Mengenstromverhältnis von Gas und Flüssigkeit dann vorzugsweise eine Schaumströmung aus. Sie bildet vergleichbar mit einer nicht begasten Flüssigkeit Ligamente aus Schaum am Austritt der Kapillaren, die anschließend verstreckt und analog zerstäubt werden. Der Schaum läßt sich besonders feinteilig zerstäuben.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den nachfolgenden Figuren dargestellt. Es zeigen:
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1 eine Explosionszeichnung einer ersten möglichen Ausführungsform mit insgesamt parallel verlaufenden Kapillaren
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2 Schnittdarstellungen derselben Ausführung nach 1
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3 eine Schnitt- und Explosionsdarstelllung einer Ausführungsform mit im Endbereich auf die Düsenöffnung hin gebogenen Kapillaren
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Die 1 und 2 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben und zeigen einen Düsenkörper 1 einer erfindungsgemäßen Düsenanordnung, mit welcher ein Gas und eine Flüssigkeit zum Zweck der Zerstäubung der Flüssigkeit gemischt werden können. Der Düsenkörper 1 weist eine innere Ausnehmung 2 auf, die, bezogen auf die Hauptströmungsrichtung, die hier von oben nach unten entlang der Längserstreckung des Düsenkörpers 1 gegeben ist, sich im inneren Querschnitt an einer Stufe 3 verjüngt.
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In Richtung der Hauptströmungsrichtung, die durch den Pfeil P symbolisiert ist, ist ein Einsatz 4 in den Düsenkörper 1 eingeführt, bis dass dieser mit einem zur Stufe 3 korrespondierenden Flächenbereich 4a an dieser Stufe 3 zur Anlage kommt.
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Besonders mit Bezug auf die 1 ist hier erkennbar, dass in der Hauptströmungsrichtung P die Anfänge einer Vielzahl von Kapillaren 5 an dem Einsatz 4 befestigt sind, wobei die Kapillaren durch den Einsatz 4 hindurchreichen, so dass von einer Seite stromaufwärts des Einsatzes 4 eine durch eine Flüssigkeitszuführung 6 zugeführte Flüssigkeit durch den Einsatz 4 hindurch und in die Kapillaren 5 eintreten kann, bis dass diese Flüssigkeit an den offenen Enden der Kapillaren 5 aus diesen austritt.
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In den 1 und 2 ist es erkennbar, dass in Hauptströmungsrichtung hinter dem Einsatz bzw. der Stufe 3 der Ausnehmung 2 durch Zuführungen 7 ein Gas in die erfindungsgemäße Düsenanordnung zugeführt werden kann. Dieses Gas strömt bei der hier dargestellten Ausführung zunächst in eine Richtung senkrecht zur Längserstreckung der Kapillaren auf diese zu und wird sodann umgelenkt und in Richtung der Kapillarenerstreckung geführt, wodurch der Gasstrom exakt parallel zu der in den Kapillaren geführten Flüssigkeit strömt.
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Im Bereich der offenen Kapillarenden kommen Gas und Flüssigkeit miteinander in Kontakt, wobei hier besonders die Ausführung gemäß der 2 zeigt, dass die offenen Enden der Kapillaren 5 in einem Abstand zur Düsenöffnung 7 angeordnet sind, so dass sich zwischen der Düsenöffnung 7 und den Kapillarenden ein Freiraum 8 ergibt, in welchem sich Gas und Flüssigkeit mischen können. Hierbei ist die Geometrie des Freiraums 8 derart gewählt, dass dieser Freiraum zumindest in einem Bereich stromaufwärts der Düsenöffnung 7 einen sich in Richtung zur Düsenöffnung verringernden Querschnitt aufweist. Hier ist beispielsweise im Bereich 8a dieser Freiraum gleichmäßig verjüngend ausgebildet und entspricht im Wesentlichen einer Kegelstumpfform.
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Die verjüngende Geometrie des Freiraums 8 zumindest im Bereich vor der Düse 7 bewirkt, dass die aus den einzelnen Kapillaren austretenden Flüssigkeitsligamente in die Richtung zur Düsenöffnung 7 beschleunigt und somit verstreckt bzw. verdünnt werden. Es ergibt sich demnach im Freiraum 8 eine sehr gleichmäßige homogene Vormischung durch die Vielzahl der Flüssigkeitsligamente, die durch die Verstreckung verdünnt werden, so dass bei der Zerstäubung an der Düsenöffnung gegenüber der Umgebung besonders kleine Partikel der Flüssigkeit, d. h. besonders kleine Tropfengrößen, insbesondere kleiner 10 Mikrometer, erzeugt werden können.
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Die 2 zeigt hier in einer weiterhin bevorzugten Ausführung, dass die Mischkammer, die zwischen dem stromabwärts angeordneten Ende des Einsatzes 4 und der Düsenöffnung 7 angeordnet ist, sich nochmalig, nämlich hier in Strömungsrichtung unterhalb der Gaszuführung 7 im Querschnitt sowohl verringert als auch in der Querschnittsform ändert. So ist nämlich an dieser Verjüngungsstelle hier eine Querschnittsänderung in Strömungsrichtung von rund zu sechseckig vorgesehen, wobei die Packung der einzelnen Kapillaren im Querschnitt senkrecht zu deren Längserstreckung ebenso eine Sechseckform aufweist. Hierbei sind die einzelnen Kapillarenreihen gegeneinander versetzt und erreichen so eine besonders hohe Packungsdichte. Im vorliegenden Beispiel werden insgesamt 19 Kapillare verwendet, die in einer sechseckigen Geometrie im Querschnitt senkrecht zur Kapillarerstreckung angeordnet sind, wobei das Sechseck eine jeweilige Seitenlänge von drei Kapillaren aufweist.
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Für die Erfindung ist es hier weiterhin wesentlich, dass der für das Gas zur Verfügung stehende effektive Querschnitt aufgrund der Tatsache, dass die Kapillaren in ihrer Erstreckung nach dem Einsatz 4 vollständig freitragend sind, ausschließlich begrenzt ist durch den Querschnitt der inneren Ausnehmung 2, insbesondere im Bereich der Kapillarenden und der Summe aller Außenquerschnitte der verwendeten Kapillaren. Es kann so bei dieser Ausführungsform beispielsweise ein Querschnittsverhältnis innerhalb einer erfindungsgemäßen Düsenanordnung zwischen Flüssigkeit und Gas im Bereich von 1:2 bis 1:4 erzielt werden. Diese Maßnahme bewirkt eine hohe Gasgeschwindigkeit um die Kapillaren 5 und damit eine effektive Ablenkung der Flüssigkeit in Richtung der Düsenöffnung 7.
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Die Figuren zeigen weiterhin, dass besonders dann, wenn eine mehreckige Packung der Kapillaren vorgesehen ist und die innere Ausnehmung im Düsenkörper 1 im Bereich der Kapillarenden an diese mehreckige Form angepasst ist, eine Verdrehsicherung vorgesehen sein kann, die hier vorliegend dadurch ausgebildet ist, dass der äußere Zylindermantel des Einsatzes 4 eine Abflachung 4b aufweist, die korrespondierend ausgebildet ist zu einem in der inneren Ausnehmung 2, insbesondere in Strömungsrichtung vor der Stufe 3 ausgebildeten Anschlag 9. Ein solcher Anschlag 9 ist hier bevorzugt ortsfest in der inneren Ausnehmung 2 angeordnet.
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Es ergibt sich hierdurch, dass der Einsatz 4 in die innere Ausnehmung 2 nur dann eingesetzt werden kann, wenn die Abflachung 4b passend zum Anschlag 9 ausgerichtet ist.
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Die Figuren zeigen weiterhin, dass hier die Möglichkeit besteht, den Abstand zwischen den offenen Enden der Kapillaren 5 und der Düsenöffnung 7 variabel zu gestalten. Bei dieser hier dargestellten Ausführungsform ist es hierfür vorgesehen, zwischen dem Einsatz 4 und der Stufe 3 einen Zwischenring 10 einzusetzen, der eine korrespondierende Verdrehsicherung, wie zuvor beschrieben, aufweist. Demnach kann dieser Zwischenring 10 eine Abflachung 10b aufweisen, die mit dem Anschlag 9 korrespondierend ausgebildet ist, um hier einen Formschluss zu erzielen, wobei der Zwischenring 10 in der stromaufwärtigen Richtung einen eigenen, zum Anschlag 9 korrespondierenden Anschlag 10a aufweist, der sodann formschließend mit dem Einsatz 4 zusammenwirken kann.
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Die Ausführungen gemäß der 1 zeigen weiterhin die bevorzugte Ausbildung, gemäß der die offenen Enden der Kapillaren 5 auf einer Teilkugelschale angeordnet sind, welche ihren Mittelpunkt in oder stromabwärts der Düsenöffnung 7 hat. Hierbei kann es vorgesehen sein, dass diese Bedingung erfüllt ist, wenn ein Einsatz ohne Zwischenring in der erfindungsgemäßen Düsenanordnung positioniert ist, wohingegen der Mittelpunkt der zuvor beschriebenen Teilkugelschale stromaufwärts der Düsenöffnung liegen kann, sofern ein Zwischenring 10 eingesetzt wird.
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In gleicher Weise kann es auch vorgesehen sein, einen Einsatz mit einer Vielzahl von Kapillaren bereitzustellen, deren Enden auf einer Teilkugelschale liegen, wobei der Mittelpunkt dieser Teilkugelschale dann in der Düsenöffnung oder stromaufwärts der Düsenöffnung liegt, wenn ein Zwischenring eingesetzt wird, so dass bewusst durch Verzicht des Zwischenrings oder Einsatz von dünneren Zwischenringen der Mittelpunkt der Teilkugelschale in einem Bereich stromabwärts der Düsenöffnung verlegt werden kann.
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Es ergeben sich so eine Vielzahl von Möglichkeiten, um die Geometrien der Ligamente und somit die Vermischung von Flüssigkeit und Gas innerhalb der Mischkammer bzw. in dem Freiraum 8 zu beeinflussen.
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Die 3 zeigt eine gegenüber der Ausführung nach 1 und 2 geänderte Konstruktion, bei welcher in gleicher Weise ein Einsatz 4 verwendet wird, der an einer Stufe 3 des Düsenkörpers 1 befestigt wird. Auch hier erfolgt, wie bei den vorherigen Ausführungen, eine Befestigung beispielsweise durch ein die Flüssigkeit zuführendes Kanalstück 6, welches eine Klemmkraft auf den Einsatz 4 ausübt und diesen auf die Stufe 3 presst. Auch hier sind die Kapillaren 5 lediglich an ihrem Anfang am Einsatz 4 befestigt und durchdringen diesen, wobei die Kapillaren 5 in einem Bereich kurz vor ihren Enden 5a einen gebogenen Bereich 5b aufweisen, mittels welchem eine jeweilige Kapillare in ihrem Endbereich in die Richtung zur Düsenöffnung 7 hin gebogen ist. Dies bedeutet, dass die austretende Flüssigkeit Ligamente ausbildet, die bereits mit Austritt aus den Kapillaren eine Richtung zur Düsenöffnung, bevorzugt zu deren Zentrum aufweisen. Hierbei liegen ebenso wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen die offenen Enden der Kapillaren auf einer Teilkugelschale, deren Mittelpunkt vor, in oder nach der Düsenöffnung 7 positioniert ist. Um eine exakte Ausrichtung der Kapillaren zu erzielen kann es vorgesehen sein, dass die gedachten, in der Öffnungsebene der Kapillaren zentrierten Flächennormalen sich alle in einem Punkt schneiden, bevorzugt zentrisch in der Ebene der Düsenöffnungen oder in Hauptströmungsrichtung vor oder nach diesem Zentrum.
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Durch den Freiraum 8 zwischen den Kapillarenden 5a und der Düsenöffnung 7, die wie auch in den vorherigen Ausführungen hier im Querschnitt verjüngend ausgebildet ist, insbesondere in der Art eines Kegelstumpfes, wird in gleicher Weise wie bei der Ausführung gemäß 1 und 2 eine Verstreckung und somit Ausdünnung der einzelnen Flüssigkeitsligamente auf ihrem Weg zur Düsenöffnung 7 bewirkt.
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Da hier die Flüssigkeitsligamente bei ihrem Austritt aus den Kapillaröffnungen bereits eine Vorzugsrichtung in Richtung zur Düsenöffnung 7 aufweisen, ergibt sich eine besonders homogene und stabile Ligamentausbildung und damit ein sehr gleichmäßiges Zerstäuben der Flüssigkeit nach der Düse 7, insbesondere wobei besonders kleine Tropfendurchmesser, bevorzugt im Bereich kleiner 10 Mikrometer erzielbar sind.
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Wie sämtliche 1–3 zeigen, kann es hier vorgesehen sein, dass der Düsenkörper 1 eine stromabwärtige Düsenaufnahme 1a aufweist, in welcher ein Düsenelement 7a mittels eines Befestigungsringes 1b klemmend befestigt werden kann. Es besteht demnach bei den erfindungsgemäßen Düsenanordnungen die Möglichkeit, die Vermischung und die Tröpfchengrößen sowohl durch Änderung an den Parametern der Einsätze bzw. der Kapillaren, insbesondere hinsichtlich Öffnungsquerschnitt und Abstand zur Düsenöffnung zu erzielen, ebenso wie durch Veränderung bei der Wahl der Düsenöffnung 7 des eingesetzten Düsenelementes 7a.
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Alle hier vorgestellten Varianten der Konstruktion weisen dabei den Vorteil auf, dass durch den Einsatz einer Vielzahl von Kapillaren bevorzugt mehr als 6, besonders bevorzugt mehr als 15 Kapillaren, eine sehr homogene Ligamentverteilung innerhalb der Mischkammer der Düsenanordnung erzielt wird mit dem weiteren Vorteil der nach dem Austritt aus den Kapillaren erfolgenden Verstreckung und somit Verdünnung der Ligamente.
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Für eine 2 mm – Düse sind typische Betriebszustände aufgelistet:
- Flüssigkeitsdurchsatz (Wasser): 40–130 kg/h
- Gasdurchsatz (Luft): 12–50 kg/h
- Gasdruck: Δp = 10–15 bar
- Flüssigkeitsdruck ca. 5–10% über Gasdruck
- Blendendurchmesser: 2 mm
- Kapillardurchmesser DK = 1 mm
- Kapillaranzahl N = 7
- Typische Tropfengrößen, Sauterdurchmesser d32 = 15 bis 40 μm
