DE3436424A1 - Vorrichtung zur erzeugung stark ueberhitzter fluessigkeitsfreistrahlen - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung, die es ermöglicht, stark überhitzte
• Flüssigkeitsfreistrahlen zu erzeugen.
• Die Erfindung bezweckt, die Einsatzmöglichkeiten überhitzter Flüssigkeitsfreistrahlen zu erweitern.
• Die Existenz überhitzter Flüssigkeitsfreistrahlen ist bekannt (P2320729.6-15). Die besondere Bedeutung der Düsenform wurde aber bisher nicht erkannt. Die erzielbaren Überhitzungen waren gering und der einzuhaltende Kesseldruckbereich eng begrenzt.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Mehrfaches an Überhitzung bei einem großen Kesseldruckbereich zu ermöglichen, ohne daß der Flüssigkeitsfreistrahl in oder nach Verlassen der Düse verdampft. Erst beim Auftreffen auf eine Oberfläche verdampft der Strahl in Form einzelner Blasen, die umso heftiger wachsen (explodieren), je größer die Überhitzung ist. Der überhitzte Frei strahl ist von einer sehr dünnen Dampfschicht umgeben, die ihn gegen die Reibung mit dem umgebenden Gas stabilisiert. Damit sind große Längen des Freistrahis möglich, ohne daß er durch Aufbrechen zerstört wird.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der für die Verdampfung entscheidende Druckabfall in den Bereich der Strahleinschnürung verlegt wird. Um eine maximale Strahleinschnürung zu erzeugen, ist es wesentlich, daß der Düseneinlauf scharfkantig und gegen die Strömungsrichtung überhöht ausgebildet ist. Die Strömung muß sich an dieser scharfen Kante ablösen und darf die Düsenwände nicht mehr berühren.
• Um dies zu erreichen, muß vor der Düse eine ausreichende Beruhigungsstrecke vorgesehen werden, die ein axiales Anströmen der Düse ermöglicht. Bei der erfindungsgemäßen Düse muß der Kesseldruck vor der Düse zwar auch in einem bestimmten Bereich liegen. Jedoch ist ein wesentlich höherer Druck und damit eine höhere Freistrahlgeschwindigkeit möglich, ohne daß im Freistrahl Dampfblasen entstehen .Selbstverständlich müssen die Zuleitungsquerschnitte zur Düse so groß sein (mind. 10-facher Düsenquerschnitt), daß keine Verdampfung vor der Düse stattfindet.Die Düse kann kreisförmig, ringförmig oder schlitzförmig ausgebildet sein.
• Mit dieser Vorrichtung ist es möglich, Oberflächen mit überhitztem Wasser zu reinigen, die bis zu 1 m von der Düse entfernt sind. Zur Erzeugung des heißen Druckwassers sind herkömmliche Hochdruckreinigungsgeräte verwendbar.
• Da beim Auftreffen des Strahls auf eine feste Oberfläche viele Blasen erzeugt werden, die aufgrund der hohen Überhitzung sehr schnell wachsen (explodieren), wird der Strahl fein zerstäubt. Diese Eigenschaft kann z.B. in Brennern oder l uftbefeuchtern nützlich sein.
• Funktionsprinzip: Vor Eintritt in die Düse hat die Flüssigkeit einen hohen Druck und eine hohe Temperatur. Während die Temperatur beim Durchströmen der Düse annähernd konstant bleibt, sinkt der Druck in der Düse schlagartig auf Umgebungsdruck ab, der weit unter dem Sättigungsdruck liegt. In herkömmlichen Düsen ohne sofortige Strahlablösung von der Düsenoberfläche verdampft die Flüssigkeit so schnell, daß kurz nach der Düse nur noch ein Dampfkegel übrigbleibt. Unsere Untersuchungen an überhitzten Flüssigkeitsfreistrahlen haben gezeigt, daß die Verdampfung des Flüssigkeitsfreistrahls stark von der Düsenform abhängt. Dies ist in Fig. 4 dargestellt. Das doppelt schraffierte Gebiet gilt für eine herkömmliche Düsenform (Fig. 2: Die Strömungsrichtung ist durch einen Pfeil gekennzeichnet), das gesamte schraffierte Gebiet für die erfindungsgemäße Form (Fig. 1). Beide Bereiche wurden mit den abgebildeten Düsen gemessen. Die Düsen haben denselben Durchmesser.
• Befindet sich der Kesselzustand in dem zur jeweiligen Düse gehörenden Bereich, dann tritt kein Blasensieden auf. Wird der schraffierte Bereich verlassen, z.B.
• durch steigende Temperatur vor der Düse, dann setzt Blasensieden an der Düse ein.
• Die Anzahl der gebildeten Blasen steigt dann exponentiell mit der Temperatur an Wird der zur jeweiligen Düsenform gehörende Bereich um mehr als 10 bis 20 °C überschritten, dann verdampft der Freistrahl vollständig in oder kurz nach der Düse. Wie man sieht, erlaubt die erfindungsgemäße Düsenform wesentlich höhere Temperaturen und Drücke , ohne daß die Verdampfung einsetzt. Bei 7 bar z.B.
• (gestrichelte Linie in Fig. 4) setzt bei der herkömmlichen Düse die Verdampfung bei 1030C ein. Bei 1300C treten nur noch Dampf und Tropfen aus der Düse, während die erfindungsgemäße Düse noch immer einen glatten und langen Flüssigkeitsfreistrahl erzeugt. Erst bei 1450C beginnt die Verdampfung an der erfindungsgemäßen Düse. Die Temperatur kann dann noch bis ca. 1600C erhöht werden, bis vollständige Verdampfung auftritt.
• Das wesentliche an der erfindungsgemäßen Düsenform (Fig. 1) ist, daß sich die Flüssigkeit beim Umströmen der scharfen und gegen die Strömungsrichtung überhöhten Einlaufkante (1) einschnürt und von der Einlaufkante abhebt, bevor der Druck unter den Sättigungsdruck fällt. Die Flüssigkeit ist also erst nach Verlassen der Einlaufkante überhaupt in der Lage zu verdampfen. Weil die Flüssigkeit aber jetzt weder die nötigen Verdampfungskeime, noch den für eine Verdampfung erforderlichen Strömungszustand vorfindet, kann sie nicht x verdampfen. Da bei stark überhitzten Flüssigkeitsfreistrahlen vermehrt Straioberí läche verdunstet, bildet sich um den Strahl ein Dampfpolster, das verhinder darms der Strahl durch I uftreibung aufbricht. Jede Berührung mit einer ObrfJächr> z.B. rirler zu reinigenden Oberfläche) führt zur explosionsartigen Verdampfung des Strahls. Neben der kinematischer Wirkung auf die Oberfläche ist der Zerstäubungsgrad dabei so hoch, daß z.B. ein 150 OC heißer Wasserstrahl innerhalb von Zentimetern auf Handwärme abgekühlt wird. Damit die Düsenwand nach der Strahleinschnürung nicht mehr berührt wird, muß der axiale Teil der Düse (2) so kurz wie möglich sein. Deshalb hat die Düse in Fig. 1 einen Austrittskegel (3). Wichtig ist außerdem, daß die Düse nicht schief oder turbulent angeströmt wird. Deshalb ist vor der Düse eine Beruhigungsstrecke (Fig. 3) vorzusehen. Bei unseren Versuchen bestand diese aus einem Rohr (4) mit den Abmessungen 500*30. Um die axiale Strömungsrichtung beizubehalten, folgte ein Konus (5), der in einen kurzen Zylinder (6) mit 10 mm Durchmesser mündet, um eine gleichmäßige radiale Anströmung der Düse (7) zu erreichen, die für die Strahleinschnürung notwendig ist.
• Anwendungsbeispiele : Die Erfindung ist geeignet, um feste Oberflächen (z.B. mineralische Oberflächen) zu reiniqen bzw. zu bearbeiten oder um diverse Materialien zu schneiden. Dabei kann der Arbeitsabstand zwischen Düse und dieser Oberfläche im Gegensatz zu bisherigen Erfindungen (P2320729.6-15: Arbeitsabstand = 2cm) bis zu lm betragen bei gleichbleibender Wirkung. Zusätzlich ist die erreichbare Überhitzung der Flüssigkeit gegenüber dem genannten Patent doppelt so groß. Eine weitere Anwendung besteht in der Möglichkeit, Brennstoff in Brennkammern einzuspritzen und erst an einer bestimmten Stelle im Brennraum zu zerstäuben, oder Flüssiqkeiten in Vakuum strömen zu lassen (also z.B. die Beseitigung flüssiger Abfälle aus Weltraumstationen). Bei intermittierendem Betrieb ist auch das Einspritzen in Verbrennungsmotoren möglich. Durch diese Erfindung sind wesentlich höhere Massendurchsätze möglich als in gewöhnlichen überhitzt betriebenen Düsen, da keine Zweiphasenströmung die Düse blockiert (choked flow). Das interessiert vor allem die Hersteller von Sicherheitsventilen, deren Baugröße sich mit dieser Erfindung reduzieren läßt. Beim Abfüllen gasbeladener Flüssigkeiten wie Bier oder Flüssigkeiten der chemischen Industrie läßt sich durch eine Änderung der Düsenform das Aufschäumen verhindern. Weitere Einsatzmöglichkeiten sind alle Verfahren zur Sprühirocknung und Meerwasserentsalzunq.
• Bildbeschreibunq: Fig.1 -Ein Schnitt in vergrößertem Maßstab durch eine erfindungsgemäße Düse, die einen scharfkantigen, überhöhten Düseneinlauf (1) besitzt und einen axialen Teil (2), der durch einen Konus (3) möglichst kurz gehalten wird.
• Fig.2 -Ein Schnitt einer herkömmlichen Düse mit abgerundetem Düseneinlauf.
• Fig.3 -Ein Schnitt einer Düse mit Beruhigungsstrecke.
• Fig.4 -Ein Diagramm zur Erklärung der Unterschiede zwischen einer erfindungsgemäßen Düse (Fig.1) und einer herkömmlichen Düse gleicher Abmessung (Fig.2). Die beiden Bereiche stellen die möglichen Kesselzustände dar, bei denen an der entsprechenden Düse ein nicht verdampfender, überhitzter Flüssigkeitsfreistrahl erzeugt wird.
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Claims (4)

1. Vorrichtunq zur Erzeugung stark überhitzter Flüssiqkeitsfreistrahlen Patentansprüche: 1. Vorrichtung zur Erzeugung stark überhitzter Flüssigkeitsfreistrahlen: a, Die Düse zur Erzeugung eines stark überhitzten Flüssigkeitsfreistrahls muß einen scharfkantiqen Düseneinlauf besitzen, damit die Strömung sich möglichst früh von der Düsenwand ablöst.

   b, Der Düseneinlauf muß gegen die Strömungsrichtung überhöht ausgebildet sein, um eine möglichst große Strahleinschnürung zu bewirken.

   c, Der axiale Teil der Düse (z.B. die Bohrung) muß so kurz wie möglich gehalten werden, damit der Frei strahl die Düsenwand nicht mehr berühren kann.

   d, Vor der Düse muß eine Beruhigungsstrecke (z.B. mit Strömungsleitblechen) vorgesehen werden, damit die Düse axial angeströmt wird.

   e, Vor der Düse müssen die Zuleitunqsquerschnitte so groß sein, daß keine Verdampfung vor der Düse auftritt.

   f, Die Düse kann kreisförmig, ringförmig oder schlitzförmig ausgebildet sein.
2. 2. Verfahren zum Reinigen von Oberflächen mit stark überhitzten Flüssigkeitsfreistrahlen mit Hilfe der Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine überhitzte Flüssigkeit unter hohem Druck in einem bis zu 1 m lanqen, glatten Flüssiqkeitsstrahl auf die Oberfläche gespritzt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hochdruckreinigungsgerät verwendet wird.
4. 4. Verfahren zum Zerstäuben von überhitzten Flüssigkeiten und Brennstoffen mit Hilfe der Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerstäubung in großem Abstand von der Düse durch Auftreffen auf eine feste Oberfläche stattfindet.