DE19752245C2 - Zweistoffdüse und Niederdruck-Zerstäubungsvorrichtung mit mehreren benachbarten Zweistoffdüsen - Google Patents

Zweistoffdüse und Niederdruck-Zerstäubungsvorrichtung mit mehreren benachbarten Zweistoffdüsen

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DE19752245C2 DE1997152245 DE19752245A DE19752245C2 DE 19752245 C2 DE19752245 C2 DE 19752245C2 DE 1997152245 DE1997152245 DE 1997152245 DE 19752245 A DE19752245 A DE 19752245A DE 19752245 C2 DE19752245 C2 DE 19752245C2
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Description

Die Erfindung betrifft eine Zweistoffdüse mit einer Drallkammer, in die wenigstens eine Zufuhrleitung für ein flüssiges Medium gemäß A1.
Gattungsgemäße Zweistoffdüsen sind unter dem Begriff Düsen mit innerer Mischung beispielsweise aus der DE-Fachzeitschrift Chemie-Ingenieur-Technik 62 (1990) 12, Seite 983 -994 bekannt. Die in der Abb. 9 dargestellten Düsen weisen entweder einen sehr komplizierten Aufbau auf oder führen zu einer unzureichenden Vermischung und Zerstäubung der Flüssigkeit. In die Drallkammern hineinragende Flüssigkeitskanäle sind - insbesondere bei kleinen Abmessungen - schwer zu fertigen. Düsenöffnungen, die auch außen an der Abströmkante vom Gas überströmt werden, erfordern sehr genau ausgerichtete Gaskanäle und eine dementsprechend aufwendige Fertigung. Aufgrund der relativ großen Durchflußfläche für das Gas bewirken sie auch einen höheren Gasverbrauch und damit einen schlechteren Wirkungsgrad.
Die US 1,129,344 zeigt eine Luftdruckzerstäubungsvorrichtung, bei der Druckluft in einen äußeren Ringkanal eingeführt und über mehrere Reihen von axial zueinander beabstandeten, mit einer axialen und einer radialen Komponente in einen von mehreren Mischkammerabschnitten einmündenden Zufuhrröhrchen eingespeist wird und dort zur Verdüsung einer am Ende des zentralen Mischrohrs zugeführten Farbe dient. Durch die in mehreren Reihen hintereinander angeordneten Axial-Radial-Zuführungsröhrchen für die Druckluft erfolgt keine optimale Zerstäubung.
Aus der DE 35 14 931 A1 ist eine Vorrichtung zum Verdüsen von Schlamm mittels Dampf- oder Druckluft offenbart, bei der letztere ebenfalls über einen Ringkanal und mehrere Reihen von mit einer radialen und einer axialen Komponente ausgestatteten Zufuhrbohrungen in eine Mischkammer eingeführt wird. Der Schlamm wird als zu verdüsendes Medium über eine den gesamten Querschnitt der Mischkammer einnehmende Zufuhröffnung eingeführt. Eine Zerstäubung des Schlammes kann mit der gezeigten Ausführung nicht stattfinden und ist auch nicht beabsichtigt, da die dort gezeigte Vorrichtung zur Vorbehandlung Sauerstoff- Anreicherung eines brennbaren Schlammes vor der Einfuhr in eine Brennkammer eine Wirbelschichtfeuerung dient.
In der DE 41 18 538 C2 ist eine Zweistoffdüse offenbart, bei der ein einziges Hilfsmittelzufuhrrohr tangential in eine Mischkammer einmündet. Das Rohr ist dabei bis fast in die Mitte der Mischkammer hinein eingeführt. Durch diese Ausgestaltung wird eine gleichmäßige Ausbildung eines zyklonartigen Wirbels verhindert. Außerdem sind bei kleineren Querschnitten derartige Zufuhrröhrchen nur noch äußerst schwer herstellbar. Die Mischung wird dort auch dadurch beeinträchtigt, daß die Ausmündung eines zentralen Zufuhrrohres für das zu verdüsende Medium in einem erheblichen Abstand stromab der Einmündung des einzigen Hilfsmittelzufuhrrohres angeordnet ist.
Aus der DE 26 58 112 A1 ist eine Sprühdüse mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 bekannt. Bei diesen münden die Eintrittskanäle mit einer minimalen tangentialen Komponente in eine sich trichterförmig in Strömungsrichtung verengende Drallkammer ein, wodurch keine optimale Durchmischung und Zerstäubung entsteht.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zweistoffdüse zu schaffen, die bei einfacher Herstellbarkeit eine sehr gute Zerstäubung des flüssigen Mediums ermöglicht.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Zweistoffdüse durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Bei der erfindungsgemäßen Zweistoffdüse münden ausschließlich tangential wenigstens zwei am Umfang der Drallkammer versetzt zueinander angeordnete Eintrittskanäle unmittelbar im Wandbereich der Drallkammer in diese ein. Dadurch wird ein gleichmäßiger Drall erzeugt, der eine sehr feine, gleichmäßige Verteilung des über die Zufuhrleitung zuströmenden flüssigen Mediums bewirkt. Die Verwendung von mindestens zwei Eintrittskanälen bewirkt eine derart gleichmäßige Strömung von Flüssigkeit und Gas in der Drallkammer, daß überraschenderweise auf einen zweiten zur Austrittsöffnung der Düse konzentrischen und schlitzförmigen Gaskanal (Chem.-Ing.-Tech. 62 (1990) 12, S. 983-994) verzichtet werden kann.
Die Zufuhrleitung für das flüssige Medium ist vorteilhaft axial in zentraler Anordnung in die Drallkammer einmündend angeordnet. Bei der gleichzeitig tangentialen Einleitung des gasförmigen Mediums ergibt sich hierdurch ein senkrechtes Aufeinandertreffen der beiden Medien direkt an der Austrittstelle der Flüssigkeit in den Drallkammerdeckel, die in Verbindung mit der entstehenden zyklonartigen Strömung sofort eine gleichmäßige Aufteilung der Flüssigkeit als Film auf die Wände der Drallkammer und auf den Austrittskonus ermöglicht. Eine Vorzerteilung der Flüssigkeit, die zu einem Impulsverlust des Gases und zu gröberen Tropfen führt, wird dadurch vermieden. Ein zentrales Zuleitrohr (Chem.-Ing.-Tech., 62 (1990) 12, S. 983-994) führt hingegen zu einer weniger gleichmäßigen Aufteilung der Flüssigkeit in der Drallkammer und zu einer stärkeren und ungünstigen Abbremsung der Drallkomponente des Gases. Dies kann u. a. auf die Vorzerteilung der Flüssigkeit zurückgeführt werden, die sich am Ende des in die Drallkammer hineinragenden Zentralrohrs in meist unregelmäßiger Weise einstellt.
Die Drallkammer ist in einer Ausführungsform im wesentlichen zylindrisch ausgebildet, wobei sich in Strömungsrichtung zum Düsenaustritt ein verjüngender Teil anschließt. Durch diese Gestaltung wird der zunächst zyklonartige Wirbel im sich verjüngenden Teil zum Düsenaustritt hin beschleunigt. Der sich verjüngende Teil kann vorteilhaft als Hohlkegel ausgebildet sein, dessen Mantelflächen einen Konuswinkel (α) einschließen, der zwischen 45° und 90°, vorzugsweise zwischen 50° und 70° liegt.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Drallkammer im wesentlichen halbkugelförmig ausgebildet ist und sich in Strömungsrichtung zum Düsenaustritt an den konkaven, halbkugelförmigen Teil ein sich konvex verjüngender Teil anschließt. Bei dieser von der Fertigung her gegenüber der Drallkammer mit zylindrischer und hohlkegliger Ausgestaltung aufwendigeren Variante kann eine besonders gleichmäßige Beschleunigung und Verdünnung des Flüssigkeitsfilms zum Düsenaustritt hin erfolgen.
Günstige geometrische Verhältnisse der Düse bestehen dann, wenn das Verhältnis des Durchmessers der Drallkammer zum Durchmesser im Bereich des Düsenaustritts etwa 2-6, vorzugsweise etwa 3 bis 4 beträgt.
Weiterhin stellen sich an der erfindungsgemäßen Düse vorteilhafte Beladungsverhältnisse dann ein, wenn das Verhältnis der Masse an Flüssigkeit zur Masse an Gas etwa 0,1 bis 4,0 vorzugsweise 0,5 bis 2,0 beträgt.
Günstige Durchströmungsverhältnisse der Düse mit einer vorteilhaften Verwirbelung und Zerstäubung des flüssigen Mediums ergeben sich insbesondere bei einem Flächenverhältnis der Summe der Einströmflächen, d. h. der Querschnitte der Eintrittskanäle des gasförmigen Mediums, zur Düsenaustrittsfläche, das etwa 0,5 bis 3, besonders vorzugsweise 1,0 bis 2,0 beträgt. Vorteilhafte Verhältnisse an der erfindungsgemäßen Zweistoffdüse bestehen weiterhin dann, wenn die Düsendruckziffer, die definiert ist durch das Produkt aus dem Düsendurchmesser und der Druckdifferenz als Düsenvordruck dividiert durch die Oberflächenspannung der zu zerstäubenden Flüssigkeit etwa zwischen 300 und 4000, vorzugsweise etwa zwischen 400 und 2000 beträgt.
Eine besonders einfache Herstellbarkeit einer Zweistoffdüse ergibt sich dadurch, daß diese in axialer Richtung durch mehrere dicht aneinandergefügte Bauteile gebildet wird. Dabei kann der Düsenaustritt und wenigstens der sich verjüngende Teil der Drallkammer in einer unteren Platte, ferner die Eintrittskanäle für das gasförmige Medium wenigstens teilweise in einer mittleren Platte und weiterhin die Zufuhrleitung zumindestens mit ihrer Eintrittsseite an einer oberen Platte angrenzend oder in dieser ausgebildet sein. Durch die mehrteilige Ausbildung ist sowohl die Austrittsgeometrie der Düse, als auch die Drallkammer mit den in sie einmündenden Leitungen und Kanälen in einfachster Weise ohne Spezialwerkzeuge herstellbar.
Die mehreren die Düse bildenden Bauteile sind vorteilhaft in axialer Richtung formschlüssig oder kraftschlüssig, letzteres beispielsweise durch Schrauben miteinander verbunden. Für die Zentrierung und/oder Abdichtung zwischen den einzelnen Bauteilen ist es vorteilhaft, wenn zumindestens die mittlere Platte über vorstehende Bünde mit der benachbarten oberen Platte und/oder der benachbarten unteren Platte radial abdichtend verbunden ist.
Bei einer Zweistoffdüse, die insbesondere in einer Niederdruck-Zerstäubungsvorrichtung mit mehreren solcher Zweistoffdüsen zum Einsatz kommt, ist es besonders vorteilhaft, wenn die Eintrittskanäle schlitzförmig an der der unteren Platte zugewandten Unterseite der mittleren Platte ausgebildet sind, wobei die obere Deckfläche der schlitzförmigen Eintrittskanäle zum Eintritt in die Drallkammer hin schräg nach unten abfällt. Derartige Kanäle lassen sich sehr einfach mittels eines Scheibenfräsers herstellen und weisen den Vorteil auf, daß das zugeführte gasförmige Medium durch den sich schräg verjüngenden Kanal beschleunigt wird und zusätzlich zur tangentialen Komponente auch eine axiale Komponente aufgeprägt bekommt.
Die erfindungsgemäßen Zweistoffdüsen eignen sich insbesondere als Niederdruck-Zerstäuber für flüssige Brennstoffe in Brennern von Heizvorrichtungen.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Zweistoffdüse und
Fig. 2 einen Querschnitt in Höhe der Linie II-II in Fig. 1.
Die in Fig. 1 dargestellte Zweistoffdüse 20 setzt sich aus mehreren axial übereinander angeordneten Platten zusammen. In einer oberen Platte 28 ist eine Zufuhrleitung 22 für ein flüssiges Medium angeordnet. Die Zufuhrleitung 22 verläuft in zentraler axialer Lage. Sie mündet mit ihrem unteren Ende an der Trennfläche zu einer mittleren Platte 27 in eine dort ausgebildete Drallkammer 23 ein. Die Drallkammer 23 weist neben einem oberen zylindrischen Teil mit einem Durchmesser DK einen nach unten daran abschließenden sich verjüngenden Teil 33 auf, der als Hohlkegel in einer unteren Platte 26 ausgebildet ist. Der Hohlkegel weist einen Konuswinkel α auf, der zwischen 45° und 90°, vorzugsweise zwischen 50° und 70° liegt. Die Mantelfläche des Hohlkegels geht im Bereich eines Düsenaustritts 31 in eine gerundete Kontur über. Der Düsenaustritt 31 weist einen Durchmesser D auf. Das Verhältnis des Durchmessers der Drallkammer DK zum Durchmesser D des Düsenaustritts 31 beträgt etwa 2 bis 5, vorzugsweise etwa 3 bis 4.
In den zylindrischen Teil der Drallkammer 23 münden tangential zwei gleichmäßig am Umfang gegeneinander versetzte Eintrittskanäle 25 ein. Die Eintrittskanäle 25 weisen einen Durchmesser D25 auf, aus dem sich die Summe der Einströmflächen AE des gasförmigen Mediums als Summe der Querschnittsflächen aller Eintrittskanäle 25 berechnen läßt. Das Verhältnis dieser Summe AE zum Querschnitt des Düsenaustritts AD beträgt etwa 1,0 bis 3,0, vorzugsweise 1,5 bis 2,0. Durch die tangentiale Einmündung der Eintrittskanäle 25 ergibt sich im zylindrischen Teil der Drallkammer 23 ein zyklonartiger Wirbel, durch den die senkrecht dazu über die Zufuhrleitung 22 eintretende Flüssigkeit in starker Verwirbelung mitgerissen und entlang des konusförmigen Teils 33 beschleunigt und als Film fein verteilt und über die Abrißkante im Düsenaustritt 31 sehr fein zerstäubt wird. Die im Ausführungsbeispiel gezeigte Anzahl von zwei Eintrittskanälen 25 stellt das Minimum für eine gute Verwirbelung des flüssigen Mediums dar. Bei Bedarf können auch mehrere Eintrittskanäle für das gasförmige Medium vorgesehen sein. Diese sind immer bevorzugt gleichmäßig voneinander beabstandet.
Für eine gute Zentrierung und eine dichte Verbindung der Platten 26, 27 und 28 ist es vorteilhaft, wenn zumindestens an der mittleren Platte 27 Bünde 37 bzw. 38 vorgesehen sind, die zum Eingreifen in oder Umgreifen entsprechend komplementär geformter Bünde an der oberen Platte 28 bzw. an der unteren Platte 26 dienen.
Bei einem Ausführungsbeispiel für einen Brenner eines Fahrzeugzusatzheizgeräts, das mit Diesel-Kraftstoff von minus 20°C betrieben wurde, ergab sich bei einem Massendurchfluß des Brennstoffs von MF = 0,5 kg/H, einem Vordruck der Luft von Δp = 0,07 bar, einem Düsendurchmesser D = 2 mm, einem Drallkammerdurchmesser DK = 8 mm, einem Konuswinkel α = 60°, einer Gaseintrittsfläche AE = 6,3 mm2 (die sich aus zwei Eintrittsbohrungen von je 2 mm Durchmesser ergibt) ein Gasdurchsatz von MG = 0,85 kg/H, wobei die erzielte mittlere Tröpfchengröße (Sauter-Durchmesser) d = 80 µm betrug.
Durch die Erfindung ist eine einfache und unempfindliche Bauart von Zweistoffdüsen in Bezug auf die Einhaltung von Fertigungstoleranzen möglich. Die Fertigung wird dadurch erheblich günstiger. Es wird ein freies Ansaugen der Flüssigkeit durch Unterdruck im Flüssigkeitskanal möglich. Durch die geschichtete Zusammensetzung mehrerer bearbeiteter, unter Umständen geätzter Platten ergibt sich eine Anwendungsmöglichkeit auch im Bereich hoher Durchsätze für kleine Tropfengrößen.
Durch eine Injektorfahrweise kann ein höherer Druck an der Düse erzielt werden, womit kleinere Tropfenabmessungen, höhere Betriebstemperaturen und günstiger Viskositätswerte bei tiefen Umgebungstemperaturen erreicht werden können.
Bezugszeichenliste
20
Zweistoffdüse
22
Zufuhrleitung (für flüssiges Medium)
23
Drallkammer
25
Eintrittskanal
26
(untere) Platte
27
(mittlere) Platte
28
(obere) Platte
31
Düsenaustritt
33
(sich verjüngender) Teil
37
Bund
38
Bund
D= Durchmesser der Düse (bei
11
bzw.
31
)
DK
= Drallkammer-Durchmesser

Claims (13)

1. Zweistoffdüse (20) mit einer Drallkammer (23), in die wenigstens eine Zufuhrleitung (22) für ein flüssiges Medium einmündet und an deren Umfang gleichmäßig beabstandet mehrere Eintrittskanäle (25) einmünden, deren Eintrittsquerschnitte im Bereich einer Wand der Drallkammer (23) liegen, die eine zur Längsachse der Drallkammer (23) tangentiale Komponente aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Drallkammer (23) im Bereich der Eintrittskanäle (25) eine zylindrische Form aufweist, daß die Einmündung der Eintrittskanäle (25) ausschließlich tangential erfolgt und das Verhältnis des Durchmesser (DK) der Drallkammer (23) zum Durchmesser (D) eines aus der Drallkammer (23) ausmündenden Düsenaustritts (31) der Bedingung 3 < DK/D < 4 folgt.
2. Zweistoffdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhrleitung (22) für das flüssige Medium axial in zentraler Anordnung in die Drallkammer (23) stromauf der Eintrittskanäle (25) einmündet.
3. Zweistoffdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich an den zylindrischen Teil der Drallkammer (23) in Strömungsrichtung zum Düsenaustritt (31) ein sich verjüngender Teil (33) anschließt.
4. Zweistoffdüse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der sich verjüngende Teil (33) als Hohlkegel ausgebildet ist, dessen Mantelflächen einen Konuswinkel α einschließen, der zwischen 45° und 90°, vorzugsweise zwischen 50° und 70° liegt.
5. Zweistoffdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drallkammer in einem dem Düsenaustritt (31) näheren Teil halbkugelförmig ausgebildet ist und sich in Strömungsrichtung zum Düsenaustritt (31) an den konkaven, halbkugelförmigen Teil ein sich konvex verjüngender Teil anschließt.
6. Zweistoffdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Beladung mit Masse an Flüssigkeit (MF) zu Masse an Gas (MG) 0,1 < MF/MG < 4,0, vorzugsweise 0,5 < MF/MG < 2,0 beträgt.
7. Zweistoffdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächenverhältnis der Summe der. Einströmflächen (AE) des gasförmigen Mediums zur Düsenaustrittsfläche (AD) 1,0 < AE//AD < 3,0, vorzugsweise 1,5 < AE//AD < 2,0 beträgt.
8. Zweistoffdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsendruckziffer, definiert durch den Düsendurchmesser (D), die Druckdifferenz als Düsenvordruck (Δp) und die Oberflächenspannung (σ) der zu zerstäubenden Flüssigkeit, 300 < Δp × D/σ < 4000, vorzugsweise 400 < Δp × D/σ < 2000 beträgt.
9. Zweistoffdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese in axialer Richtung durch mehrere dicht aneinandergefügte Bauteile (Platten 26, 27, 28) gebildet wird.
10. Zweistoffdüse nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenaustritt (31) und wenigstens der sich verjüngende Teil (33) in einer unteren Platte (26), daß die Eintrittskanäle (25) für das gasförmige Medium wenigstens teilweise in einer mittleren Platte (27) und daß die Zufuhrleitung (22) zumindestens mit ihrer Eintrittsseite an eine obere Platte (28) angrenzt oder in dieser ausgebildet ist.
11. Zweistoffdüse nach Anspruch 9 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile in axialer Richtung formschlüssig oder kraftschlüssig, beispielsweise durch Schrauben, miteinander verbunden sind.
12. Zweistoffdüse nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Platte (27) über vorstehende Bünde (37 bzw. 38) mit der benachbarten oberen Platte (38) und/oder der benachbarten unteren Platte (26) radial abdichtend verbunden ist.
13. Zweistoffdüse nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittskanäle schlitzförmig an der der unteren Platte (26) zugewandten Unterseite der mittleren Platte (27) ausgebildet sind, wobei die obere Deckfläche der schlitzförmigen Eintrittskanäle zum Eintritt in die Drallkammer (23) schräg nach unten abfällt.
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