DE3609350C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Düse zum Zerstäuben von flüssigen Medien, insbesondere hochviskosen Medien, besonders in der Lebenmsittel- und chemischen Industrie. Besonders ist die Düse geeignet für den Einsatz in Wirbelschichtsprühgranulatoren. Es lassen sich alle Arten von Dispersionen, Emulsionen, Suspensionen bzw. Aufschlämmungen schonend damit versprühen.

Düsenkonstruktionen sind in der Regel bestimmten Anwendungsgebieten angepaßt, so daß die technologischen Parameter einer Düse, zum Beispiel Sprühwinkel, Sprühkegelform, Tröpfchengröße oder Durchsatz nur in geringen Grenzen verändert werden können.

Bei bekannten technischen Verfahren werden Flüssigkeiten zum Zerstäuben und zur Erzeugung kleiner Tröpfchen mit hohem Druck durch Düsen gepreßt. Beim Austritt aus der Düse entstehen infolge der Entspannung Tröpfchen unterschiedlicher Größe (Einstoffdüse). Bei anderen Ausführungen werden Flüssigkeiten mit geringem Druck einer Düse zugeführt und durch Druckluft die parallel oder senkrecht zum Flüssigkeitsstrahl geführt wird, in kleine Tröpfchen zerrissen (Zweistoffdüse). Düsen dieser Bauart erfordern beim Versprühen von viskosen Flüssigkeiten einen hohen Flüssigkeitsdruck. Beim Unterbrechen des Sprühvorganges muß zur Vermeidung eines Nachtropfens der Düse ein zusätzliches pneumatisches, elektrisches oder mechanisches Verschlußsystem eingebaut werden. Durch eine spezielle Zuordnung von Flüssigkeitsdüse und Luftdüse ist es möglich, daß die Flüssigkeit durch den Unterdruck, den die austretende Druckluft erzeugt, aus dem Vorratsbehälter gesaugt wird (Injektionsdüse).

In der DE-PS 5 58 542 wird eine Düse beschrieben, die für das Vernebeln von Farbe vorgesehen ist, bei der ein Injektionsrohr in ein Düsengehäuse ragt. Die Sprühluft wird durch das Düsengehäuse gedrückt und saugt dabei durch den Unterdruck aus seitlich im Injektionsrohr angebrachten Bohrungen die Flüssigkeit. Dieselbe läuft an der Innenseite des Düsengehäuses ab und wird am Düsenaustritt vom Luftstrom zerstäubt. Diese Düse hat den Nachteil, daß sie sich lediglich für das Vernebeln von dünnflüssigen Medien eignet, da die hier im Betrieb entstehende Injektorwirkung zu gering ist, Medien hoher Viskosität anzusaugen.

Diese Lösung hat ferner den Nachteil, daß eine Regelung der zu zerstäubenden Flüssigkeitsmenge nur über die Veränderung von Luftmenge und Luftdruck der Zerstäubungsluft möglich ist. Bei konstanter Luftmenge und Luftdruck ist die Variation der zur Zerstäubung kommenden Flüssigkeitsmenge mit anderen Mitteln nicht möglich.

In der US-PS 42 56 263 wird eine Einstoffdüse beschrieben, die für hohe Produktdrücke ausgelegt ist.

Diese Düse ist mit einer Drallvorrichtung für die zu verdüsende Flüssigkeit ausgestattet, die eine gleichmäßige Ausbildung des Sprühkegels garantiert. Flüssigkeiten mit hoher Viskosität können mit dieser Düse nicht vernebelt werden, da die eingebauten Drallelemente bei hochviskosen Substanzen verkleben und unbrauchbar werden. Außerdem hat jede Einstoffdüse den Nachteil, daß mit sehr hohen Drücken in einem engen Winkelbereich gearbeitet werden muß. (ca. 18 bis 22 MPa), um einen guten Sprühnebel zu erzeugen. Eine Variation des Durchsatzes ist in diesem engen Wirkbereich nicht gegeben.

Düsen, die einen Flüssigkeitsnebel in Form eines Hohlkegels bilden, sind für den Einsatz in Wirbelschichtsprühgranulatoren ungeeignet. Von besonderer Wichtigkeit in Wirbelschichtsprühgranulatoren ist, daß die zu vernebelnde Flüssigkeit fein und gleichmäßig flächendeckend auf das Wirbelbett aufgesprüht wird, um Verklumpungen des Granulats, die zur vorzeitigen Unterbrechung des Granulierens führen, zu unterbinden.

In der SU-PS 8 22 914 wird eine Düse beschrieben, bei der in einem teils zylindrischen teils kegelförmigen Hohlraum in Form einer Hülse die Flüssigkeit mit dem Zerstäubungsmedium (z. B. Druckluft) gemischt wird.

Die Flüssigkeit wird aus einem inneren Rohr durch seitliche Bohrungen in den Hohlraum gedrückt. Das Zerstäubungsmedium gelangt nach Passage von Drallschlitzen, die das Medium in kreisende Bewegung versetzen, ebenfalls in den Hohlraum.

Die Zerstäubung wird dadurch erreicht, daß Zerstäubungsmedium und Flüssigkeit kranzförmig aus der Düse austreten.

Die Düse hat den Nachteil, daß ein Hohlkegel erzeugt wird, der durch die Anordnung einer Prallplatte unter dem kranzförmigen Düsenaustritt noch unterstützt wird.

In der GB-PS 11 31 459 wird eine Düse beschrieben, die für die Verarbeitung von thermoplastischen Massen bestimmt ist, die aus einer heizbaren Substanzdüse (Flüssigkeitsdüse) mit einem kegelstumpfförmigen Ende und einer Gasdüse besteht.

Das flüssige Thermoplast tritt aus einer Anzahl Strahlöffnungen, die sich im kegelstumpfförmigen Ende befinden, in den Innenraum der Gasdüse ein, die über mindestens einen tangential einmündenden Gaseintritt mit Gas versorgt wird. Hier mischt sich das auf einer Kreisbahn strömende Gas mit dem Thermoplast. Der Sprühnebel wird dadurch erzeugt, daß das Gemisch über einen ringförmigen Spalt austritt. Da es sich hier um eine gänzlich andere Technologie handelt, als es die Wirbelschichtgranulation darstellt, ist es nicht möglich, eine Düse dieser Bauart ohne weiteres für dieselbe zu übertragen. Wie in der Schrift mitgeteilt wird, muß um den nötigen Feinheitsgrad des Sprühnebels zu erreichen, die Viskosität der Thermoplastschmelze äußerst gering sein. Nicht nur, daß diese Forderung durch das verhältnismäßig schnelle Erstarren dieser Schmelze während des Versprühens bedingt ist, sondern es ist auch vielmehr festzustellen, daß die Vermischung der beiden Medien verhältnismäßig kurz vor dem Austritt aus dem Düsenspalt erfolgt und daher der Mischeffekt nur gering ist, was sich bei hochviskosen Flüssigkeiten ungünstig auswirkt.

Weiterhin ist in der GB-PS 21 06 422 eine Düse beschrieben worden, bei der auf der Mantelfläche eines Kegelstumpfes spiralförmige Führungskanäle angeordnet sind, die für die Führung des für die Zerstäubung benötigten gasförmigen Mediums dienen. Die Flüssigkeit, im vorliegenden Falle Kraftstoff, wird in einer zentral angeordneten Bohrung zugeführt. Die Vermischung der Medien erfolgt im Brennpunkt außerhalb der Düse, wobei der Brennpunkt die Stelle ist, wo von dem Kegelstumpf als Kegel gedacht, seine Spitze sich befinden würde. Der Kegelstumpf selbst ist durch eine entsprechende Kappe, mit zentrischer Austrittsöffnung versehen, abgedeckt. Eine Düsenanordnung dieser Art eignet sich nur für extrem dünnflüssige Medien, wie es z. B. Kraftstoff ist, bei denen eine Mischung und Zerstäubung außerhalb des Düsengehäuses möglich ist. Hochviskose Medien lassen sich mit einer solchen Düse nicht zerstäuben, da die Flüssigkeit infolge ihrer großen Zähigkeit sich fast gar nicht mit der strömenden Luft mischen würde.

In der AT-PS 3 72 304 ist eine Düse beschrieben, die zum Zerstäuben von elektrostatisch aufgeladenem Pulver dient. Der Aufbau der Düse ist im wesentlichen dergestalt, daß ein zylindrischer Körper im Innern der Düse einen wendelförmigen Luftführungskanal aufweist, der in einem schmalen Ringspalt endet, der sich in unmittelbarer Nähe des Düsenaustritts befindet. Im Zentrum der Düse ist der Kanal zur Zuführung des Pulvers angeordnet, an dessen Ende sich die Elektroden zur statischen Aufladung des Pulvers befinden.

Eine Düse dieser Art zeigt beim Einsatz für die Zerstäubung hochviskoser Medien ähnliche Mängel wie die vorhergehend genannten, vor allem reicht die kinetische Energie des aus dem einen wendelförmigen Kanal austretenden Luftstrahles nicht aus, hochviskose Medien entsprechend den geforderten Bedingungen zu zerstäuben. Eine Verwendung einer solchen Düse auf diesem Gebiet ist deshalb nicht möglich.

Nach der GB-PS 13 88 468 ist eine Zerstäubungsinjektionsdüse bekannt geworden, die insbesondere für flüssigen Brennstoff geringer Qualität und hoher Viskosität, wie Schweröl, gedacht ist. Im wesentlichen ist die Düse in der Art ausgeführt, daß auf einem abgedeckten Kegelstumpf eine Vielzahl von spiralförmigen Luftkanälen vorgesehen ist, denen in den Kanälen oder, in Strömungsrichtung gesehen, in deren Nähe, Bohrungen für die Zuführung des Brennstoffs zugeordnet sind. Der Brennstoff wird durch die durch die Kanäle strömende Luft angesaugt und mit derselben verwirbelt. Diese Bohrungen liegen jedoch verhältnismäßig nahe an der Düsenaustrittsöffnung, so daß es zu einer intensiven Vermischung der Medien Luft und Brennstoff erst außerhalb der Düse kommen kann.

Die kinetische Energie der strömenden Luft ist hierbei nicht ausreichend, um den Brennstoff soweit zu verwirbeln, daß er in feinster Verteilung vom Luftstrom mitgeführt werden kann. Sollen mit einer solchen Düse hochviskose Medien, wie sie in der Lebensmittel- oder chemischen Industrie zu verarbeiten sind, zerstäubt werden, so führt dies zu einer äußerst mangelhaften Vermischung der infrage kommenden Medien einerseits, und andererseits bleibt die Bildung eines entsprechenden Sprühkegels aus. Es kommt zu einer groben Tropfenbildung des zu zerstäubenden Mediums. Außerdem werden hochviskose Medien von dem vorbeiströmenden Luftstrahl nur äußerst schlecht angesaugt.

Wenn auch bei dem Brennstoff von einer hohen Viskosität gesprochen wird, so ist sie doch weit geringer als die der in den genannten Industrien zu verarbeitenden Medien. Der Einsatz einer solchen Düse ist deshalb nicht möglich.

Weiterhin ist nach DE-PS 9 22 039 eine verstellbare Düse zum Vernebeln von flüssigen, breiigen oder pulverförmigen Stoffen bekannt, bei der ebenfalls sowohl eine Zuführung des zu verstäubenden Mediums als auch von Luft vorgesehen ist. Dazu sind im Düsenkörper zwei konzentrisch angeordnete Bauteile vorgesehen, die je einen wendelförmigen Kanal aufweisen, wobei der eine der Führung der Luft und der andere der Führung des zu verstäubenden Mediums dient, das mit Hilfe von radialen Bohrungen von einem zentrischen Kanal nach dem wendelförmigen Kanal geleitet wird. Die wendelförmigen Kanäle weisen hierbei einen gegenläufigen Drall auf. Dieser Düsenausführung ist es zu eigen, daß beide zu vermischenden Medien erst außerhalb des Düsengehäuses aufeinandertreffen, da beide Medien aus getrennten konzentrisch zueinander angeordneten Düsenaustrittsöffnungen austreten.

Es entsteht hierbei die Form eines Hohlkegels. Sollen hochviskose Medien versprüht werden, so ist diese Düse ungeeignet, da der Mischvorgang außerhalb des Düsengehäuses bei derartigen Medien nur unvollständig erfolgt und es zu einer groben Tröpfchenbildung kommt.

In der DE-OS 34 23 373 wird eine Düse zur Zerstäubung viskoser Flüssigkeiten beschrieben, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sich im konischen Teil eines zentralen Zuführungskanals für die zu zerstäubende Flüssigkeit mehrere, in einem bestimmten Winkel angeordnete Austrittsöffnungen befinden. Die Austrittsöffnungen münden unmittelbar vor dem Düsenaustritt, also direkt am kegelstumpfförmigen Ende, in die Verwirbelungskammer. Dies hat den Nachteil, daß die Vermischung von Luft und Medium, insbesondere bei hochviskosen Medien, ungenügend ist und damit auch keine ausreichend feine Zerstäubung erreicht wird.

Die Erfindung hat sich das Ziel gestellt, eine Düse zu schaffen, die es ermöglicht, vornehmlich hochviskose Medien auf das Feinste zu zerstäuben, wobei eine schonende Behandlung der zu verarbeitenden Dispersionen, Emulsionen, Suspensionen bzw. Aufschlämmungen gewährleistet sein soll.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Düse zum Einsatz in der Lebensmittel- bzw. chemischen Industrie zu schaffen, mit der vorzugsweise hochviskose Medien in Wirbelschichtsprühgranulatoren feinst zerstäubt werden können.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß in einem aus einem Grundkörper und einer einschraubbaren Kappe bestehenden Düsengehäuse ein Düsenkörper angeordnet ist, der im wesentlichen eine zylindrische Form aufweist und nach dem in der Kappe befindlichen Düsenaustritt hin kegelstumpfförmig ausläuft und im Zentrum eine etwa in Höhe des beginnenden kegelstumpfförmigen Endes endende koaxiale Bohrung zur Zufuhr des jeweiligen flüssigen Mediums aufweist, von der Kanäle in den Raum der Druckmediumzufuhr abgehen, wobei der Düsenkörper dadurch gekennzeichnet ist, daß der zylindrische Teil des Düsenkörpers eine Vielzahl von Strömungskanälen aufweist, die nach der Art der Gänge eines vielgängigen Gewindes angeordnet sind, die Kanäle jeweils in die Strömungskanäle, vorzugsweise an deren Ende vor dem Beginn des kegelstumpfförmigen Endes des Düsenkörpers einmünden und das kegelstumpfförmige Ende sowie die gegenüberliegende Kegelfläche in der Kappe gehärtet und hochglanzpoliert sind. Hierbei sind die im zylindrischen Teil des Düsenkörpers angeordneten Strömungskanäle durch eine gemeinsame Ring-Druckkammer untereinander verbunden, von der aus sie mit dem Druckmedium, im einfachsten Falle Luft, versorgt werden.

Bei der Auslegung der Düsen, die Durchsatzvolumina betreffend, ist es möglich, die Strömungskanäle mit unterschiedlichen Querschnittsformen auszubilden. So können die Strömungskanäle mit halbkreisförmigem rechteckigem bis parallelogrammförmigem, trapezförmigem oder auch dreieckigem Querschnitt ausgeführt werden. Die Kanäle, die die im Zentrum des Düsenkörpers befindliche Bohrung mit den Strömungskanälen im zylindrischen Teil verbinden, können zylinderförmig, aber auch diffusorartig ausgebildet sein. Letztere Ausbildung bewirkt eine leichte Druckerhöhung des durchströmenden hochviskosen Mediums, was sich günstig auf die Mischung beider Medien auswirkt.

Die Erfindung bietet den Vorteil, daß eine Düse geschaffen worden ist, die es ermöglicht, selbst hochviskose Medien in feinster Verteilung in Form eines Vollkegels zu versprühen. Durch die Vielzahl der im zylindrischen Teil des Düsenkörpers angeordneten Strömungskanäle, die die Form von Gewindegängen eines vielgängigen Gewindes aufweisen, wird dem strömenden gasförmigen Medium ein Drall mit hoher kinetischer Energie erteilt. Im Stadium der höchsten Steigerung derselben wird das hochviskose Medium, nämlich am Ende der Strömungskanäle, zugeführt. Dadurch, daß jedem Strömungskanal nur jeweils eine kleine Menge des hochviskosen Mediums zugeführt wird, erfolgt eine äußerst intensive Vermischung beider Medien, die nunmehr in verwirbelter Form zwischen den hochglanzpolierten Flächen vom kegelstumpfförmigen Ende des Düsenkörpers und der Gegenfläche in der Kappe strömen und sich dabei noch weiter mischen. Durch die Hochglanzpolitur dieser Flächen werden nahezu alle auftretenden Reibungsverluste, besonders die durch die Grenzschichttreibung hervorgerufenen, vermieden. Dadurch kann die Mischung der beiden Medien mit der gesamten ihr erteilten kinetischen Energie aus dem Düsenaustritt austreten und wird dabei in feinste Tröpfchen zerstäubt.

Die Erfindung ist an Hand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Düse im Schnitt,

Fig. 2 einen Düsenkörper in Seitenansicht,

Fig. 3 bis 7 verschiedene mögliche Querschnittsformen der Strömungskanäle.

Die Düse gemäß der Erfindung besteht aus dem Grundkörper 1, in den die Kappe 2 eingeschraubt ist. Diese beiden Teile bilden das Düsengehäuse, darin befindet sich der Düsenkörper 3 der mittels Gewinde 4 in den Grundkörper 1 eingeschraubt ist. Die Kappe 2 ist mit Außengewinde 5 versehen, das ein Feingewinde ist; dadurch ist eine Verstellung der Breite des Ringraumes 6 am Düsenaustritt 7 möglich. Im Grundkörper 1 befindet sich die Ring-Druckkammer 8, die über die Bohrungen 9 mit dem zur Zerstäubung notwendigen gasförmigen Medium, das im einfachsten Falle Luft ist, versorgt wird. Von der Ring-Druckkammer 8 gehen eine Vielzahl von Strömungskanälen 10 ab, die in den Düsenkörper 3 eingearbeitet sind. Diese Strömungskanäle 10 sind nach der Art der Gänge eines vielgängigen Gewindes angeordnet. Im Zentrum des Düsenkörpers 3 ist eine Bohrung 11 vorgesehen, die zur Zuführung des zu zerstäubenden Mediums, das vornehmlich eine hochviskose Flüssigkeit ist, dient. Diese Bohrung 11 ist nicht durchgehend, sondern endet im Innern des Düsenkörpers 3 etwa dort, wo außen an dem zylindrischen Teil 12 das kegelstumpfförmige Ende des Düsenkörpers 3 beginnt. Von der Bohrung 11 führen Kanäle 14 nach den Strömungskanälen 10, die genau an der Stelle einmünden, wo der zylindrische Teil 12 endet.

Die Kanäle sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel diffusorartig ausgebildet. Das kegelstumpfförmige Ende 13 des Düsenkörpers 3 ist an seiner Oberfläche gehärtet und hochglanzpoliert, ebenso die innere Kegelfläche 15 der Kappe 2.

Die Fig. 3 bis 7 stellen mögliche Querschnittsformen der Strömungskanäle 10 dar, wie in Fig. 3 gezeigt, halbkreisförmig sein können, aber auch parallelogrammförmiger (Fig. 4), rechteckiger, trapezförmiger oder dreieckförmiger Querschnitt ist möglich; derselbe richtet sich in erster Linie nach den durchzusetzenden Volumina.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Düse ist wie folgt:
In die mit Pfeilen gekennzeichneten Zuleitungen strömt einmal das als Zerstäubungsmittel dienende Gas und zum anderen das hochviskose, zu zerstäubende Medium. Das Gas gelangt durch Bohrung 9 in die Ring-Druckkammer 8, von welcher die im zylindrischen Teil 12 des Düsenkörpers 3 befindlichen Strömungskanäle 10 abgehen. Infolge ihrer Gestaltung erhält hier das strömende Gas einen Drall.

An der Stelle, an der die kinetische Energie des strömenden Gases am größten ist, münden die Kanäle 14 ein, durch welche das hochviskose Medium gedrückt wird. Durch diese feine Dosierung desselben zum strömenden Gas kommt es dabei zu einer innigen Vermischung. Diese Mischung strömt nunmehr unter kreisender Bewegung in den Ringraum 6. Dabei ist sowohl die Oberfläche des kegelstumpfförmigen Endes 13 als auch die gegenüberliegende Kegelfläche 15 gehärtet und hochglanzpoliert. Hierdurch wird einmal eine hohe Lebensdauer der Düse erreicht, aber auch die Grenzschichtreibung auf ein Minimum reduziert, die gerade bei der Verarbeitung von hochviskosen Medien zu starken Verlusten an kinetischer Energie führt, was wiederum zu einer Verminderung der Leistung der Düse hinsichtlich Sprühwinkel und Tröpfchengröße führt. Die am Düsenaustritt 7 austretende Mischung wird in Form eines Vollkegels versprüht. Die diffusorartigen Kanäle 14 bewirken eine leichte Druckerhöhung des hochviskosen Mediums, und wie es sich gezeigt hat, damit einen günstigen Einfluß auf den Mischvorgang. Außerdem wird hierdurch ein Nachtropfen der Düse nach Stillsetzen der Anlage vermieden.

Verzeichnis der verwendeten Positionszeichen

 1 Grundkörper
 2 Kappe
 3 Düsenkörper
 4 Gewinde am Düsenkörper
 5 Außengewinde an der Kappe
 6 Ringraum
 7 Düsenaustritt
 8 Ring-Druckkammer
 9 Bohrungen
10 Strömungskanäle
11 Bohrung im Zentrum des Düsenkörpers
12 zylindrischer Teil des Düsenkörpers
13 kegelstumpfförmiges Ende des Düsenkörpers
14 Kanäle
15 Kegelfläche

Claims (4)

1. Düse zum Zerstäuben von flüssigen Medien, insbesondere hochviskose Medien, besonders in der Lebensmittel- und chemischen Industrie für den Einsatz in Wirbelschichtsprühgranulatoren, bei welcher in einem aus einem Grundkörper und einer einschraubbaren Kappe bestehenden Düsengehäuse ein Düsenkörper angeordnet ist, der im wesentlichen eine zylindrische Form aufweist, und nach dem in der Kappe befindlichen Düsenaustritt hin kegelstumpfförmig ausläuft und im Zentrum eine etwa in Höhe des beginnenden kegelstumpfförmigen Endes endende koaxiale Bohrung zur Zufuhr des jeweiligen flüssigen Mediums aufweist, von der Kanäle in den Raum der Druckmedien-Zufuhr abgehen, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Teil (12) des Düsenkörpers (3) eine Vielzahl von Strömungskanälen (10) aufweist, die nach der Art der Gänge eines vielgängigen Gewindes angeordnet sind, die Kanäle (14) jeweils in die Strömungskanäle (10), vorzugsweise an deren Ende vor dem Beginn des kegelstumpfförmigen Endes (13) des Düsenkörpers (3) einmünden, wobei das kegelstumpfförmige Ende (13) sowie die gegenüberliegende Kegelfläche (15) in der Kappe (2) gehärtet und hochglanzpoliert sind.

2. Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanäle (10) im zylindrischen Teil (12) über eine gemeinsame Ring-Druckkammer (8) mit Druckmedium beaufschlagbar sind.

3. Düse nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanäle (10) halbkreisförmigen rechteckigen bis parallelogrammförmigen, trapezförmigen oder auch dreieckigen Querschnitt aufweisen.

4. Düse nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (14) eine zylindrische oder auch diffusorartige Gestalt aufweisen.