DE3706694C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zweistoff-Zerstäubungsdüse nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Zweistoff-Zerstäubungsdüsen werden zwar überwiegend zur Kühlung von Gußerzeugnissen in Stranggießanlagen einge­ setzt, jedoch kommt durchaus auch eine Anwendung zu anderen Zwecken in Betracht.

Bei dem genannten Anwendungsgebiet in Stranggießanlagen kommt es auf eine möglichst gleichmäßige und intensive Kühlung der betreffenden Stranggußprodukte an. Es handelt sich hierbei vornehmlich um Knüppel, Vorblöcke und Schmalseiten von Breitbändern. Eine Zweistoff-Kühlung (z. B. mittels eines Luft- Wasser-Gemisches) ist einer an sich ebenfalls denkbaren reinen Flüssigkeitskühlung überlegen, weil mit ersterer eine stärkere Kühlwirkung erzielbar ist. Die Gießstrangkühlung erfolgt in der Regel so, daß - je nach Breite des betreffenden Gießstranges - eine Mehrzahl von Düsen quer zur Bewegungsrichtung des Gießstranges nebeneinander angeordnet sind. Um die erforderliche Düsenanzahl zu verringern, sind Düsen mit möglichst großem Strahlwinkel (größer 45°) wünschenswert.

Bisher bekanntgeworden sind Zweistoff-Zerstäubungsdüsen, die zwar einen Vollstrahl mit großem Strahlwinkel zu erzeugen vermögen, bei denen der Strahl jedoch nicht als Vollkegel, sondern flach ausgebildet ist. Eine solche Zweistoff-Zerstäubungsdüse zeigt z. B. die WO 85/02132. Derartige Flachstrahlen sind aber für das in Rede stehende Anwendungsgebiet, Gießstrangkühlung, wenig geeignet, weil ihre Kühlleistung nicht gleichmäßig und nicht intensiv genug ist.

Zweistoff-Zerstäubungsdüsen der eingangs bezeichneten Art sind durch die DE-OS 22 52 218 und die DE 31 06 962 C2 bekannt geworden.

Die durch die erstgenannte Druckschrift bekannte Düse weist zur Zuführung der beiden Medien nur zwei Kanäle auf, wobei einem zentralen Kanal in Längsrichtung unmittelbar das flüssige Medium zugeführt wird. Ein zweiter, der Zuleitung des gasförmigen Mediums dienender Kanal mündet im rechten Winkel in den zentralen Kanal ein. Damit weicht die bekannte Düse nach DE-OS 22 52 218 eigentlich schon in gattungsmäßiger Hinsicht von der erfindungsgemäßen Düse nach vorliegender Anmeldung ab.

Des weiteren besitzt die bekannte Düse nach vorgenannter Druckschrift einen Prallteller, der außerhalb des Düsenkörpers dem Düsenaustritt vorgelagert ist. Hierdurch ergeben sich ungünstige Strömungsverhältnisse im Sinne der vorliegender Anmeldung gestellten Aufgabe (siehe unten).

Bei der durch die DE 31 06 962 C2 offenbarten Düse sind zwar - dem Gattungsbegriff der vorliegenden Anmeldung entsprechend - insgesamt drei Kanäle vorgesehen, und zwar ein zentraler Kanal und zwei rechtwinklig in diesen einmündende Kanäle für das flüssige und für das gasförmige Medium. Die Kanäle für das flüssige und für das gasförmige Medium münden nicht auf gleicher Höhe in den zentralen Kanal ein. Sie stehen auch nicht im rechten Winkel, sondern liegen parallel zueinander. Weiterhin wird beim Gegenstand der DE 31 06 962 C2 der Düsenaustritt unmittelbar durch das tellerförmig erweiterte Ende eines Einsatzes gebildet, wobei das tellerförmig erweiterte Ende des Einsatzes dem Düsenkörper vorgelagert ist.

Ausgehend von dem im vorstehenden geschilderten Stand der Technik ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Zweistoff- Zerstäubungsdüse zu schaffen, die sich durch einen großen Strahlwinkel, eine gleichmäßige Flüssigkeitsverteilung, große Strömungsquerschnitte und - infolge davon - eine weitestgehende Verstopfungsunempfindlichkeit auszeichnet.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe bei einer Zweistoff-Zerstäubungsdüse der eingangs bezeichneten Art durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Erfindung ermöglicht vorteilhaft die Erzeugung eines wirklichen Vollkegelstrahls mit Strahlwinkeln von über 45°. Die Flüssigkeitsverteilung des Vollkegels ist beeinflußbar durch die Düsengeometrie (ebene Flüssigkeitsverteilung). Die erfindungsgemäße Düse besitzt große Strömungsquerschnitte im Vergleich zu den oben beschriebenen bekannten Düsen und ist dadurch nahezu unempfindlich gegenüber Verstopfungen durch Schmutzwasser.

In Kurzform zusammengefaßt läßt das Erfindungswesentliche damit charakterisieren, daß man in einer Mischkammer (bei der Zusammenführung von "Flüssigkeitskanal" und "Gaskanal") einen Gasvolumenstrom und einen Flüssigkeitsstrom zusammenbringt und durch einen Kanal durch Öffnungen auf Prallwände austreten läßt, die teilweise zylindrische ("Ringkanal") und teilweise konische ("Düsenaustritt") Form haben. Vorteilhafterweise gelingt es durch die erfindunggemäßen Maßnahmen, einen Zwei­ stoff-Vollkegel zu erzeugen, der einen vorgegebenen Konuswinkel hat und darüber hinaus in seiner Mitte gleichmäßig mit Flüssigkeit ausgefüllt ist. Große Bedeutung kommt in diesem Zusammenhang dem erfindungsgemäßen Merkmal eines unmittelbaren, d. h. kantenförmigen Übergangs von der ersten zylindrischen Prallwand auf die zweite sich konische erweiternde Prallwand zu. Denn die Stellung der Übergangskante zwischen den beiden Prallwänden bestimmt maßgeblich, wieviel Flüssigkeit in den Randbereich des austretenden Flüssigkeits-Vollkegels und wieviel in dessen Mitte geleitet wird. Durch die Stellung der Übergangskante zwischen der (zylindrischen) Wandung der ersten Prallwand und der (konischen) Wandung der zweiten, konisch in Strömungsrichtung erweiterten Prallwand läßt sich also die Verteilung der Flüssigkeit in den Randbereich und in den Mittenbereich des Vollkegels steuern.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung können den Patentansprüchen 2-11 entnommen werden.

Zur Veranschaulichung der Erfindung dienen Ausführungsbeispiele, die in der Zeichnung dargestellt und nachstehend beschrieben sind. Es zeigt

Fig. 1 eine Ausführungsform einer Zweistoff-Zerstäubungs­ düse, zur Hälfte in Ansicht und zur Hälfte im vertikalen Längsschnitt (Schnitt I-I in Fig. 2),

Fig. 2 den Gegenstand von Fig. 1 in Querschnittsdarstel­ lung (Schnitt II-II in Fig. 1),

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie III-III in Fig. 1, in gegenüber Fig. 1 und 2 vergrößerter Darstel­ lung,

Fig. 4 die Einzelheit "A" aus Fig. 1, in gegenüber Fig. 1 vergrößerter Darstellung,

Fig. 5 eine andere Ausführungsform einer Zweistoff-Zer­ stäubungsdüse, im vertikalen Längsschnitt (Schnitt V-V in Fig. 6), und

Fig. 6 die Düse nach Fig. 5, in Querschnittsdarstellung (Schnitt VI-VI in Fig. 5).

In Fig. 1 bis 4 bezeichnet 10 einen Düsenkörper einer Zweistoff- Zerstäubungsdüse. Der Düsenkörper 10 ist quaderförmig ausgebil­ det und besitzt einen (mit Bezug auf Fig. 1) vertikal gerichte­ ten ersten Kanal 11, der an seinem oberen Ende durch eine Schraube 12 verschlossen ist. Aus Fig. 2 ist entnehmbar, daß in den ersten Kanal 11 - rechtwinklig zu diesem und rechtwinklig zueinander - zwei weitere Kanäle 13 und 14 einmünden. Hierbei dient der Kanal 13 (im folgenden als "zweiter Kanal" bezeichnet) zur Zuführung eines flüssigen Mediums, z. B. Wasser, und der Kanal 14 (im folgenden als "dritter Kanal" bezeichnet) zur Zuführung eines gasförmigen Mediums, z. B. Luft.

Wie aus Fig. 1 und insbesondere auch aus der vergrößerten Darstellung der Fig. 4 hervorgeht, ist der erste Kanal 11 als sogenannte Sacklochbohrung ausgebildet, d. h. er ist an seinem in Fig. 1 und 4 unteren Ende durch einen Boden 15 abgeschlossen. Der Boden 15 bildet einen Prallboden für das innerhalb des ersten Kanals 11 vorgemischte und in Pfeil­ richtung 16 zu dem insgesamt mit 17 bezifferten Düsenaustritt transportierte Gas-Flüssigkeits-Gemisch. Die Zeichnung, insbesondere Fig. 2 und 3, läßt weiterhin erkennen, daß unmittelbar oberhalb des Prallbodens 15 drei radiale Einfräsun­ gen 18, 19 und 20 vorgesehen sind, durch die das Gas-Flüssig­ keits-Gemisch - wie in Fig. 4 angedeutet - aus dem ersten Kanal 11 heraus ins Freie gelangen kann.

Fig. 1, 3 und 4 machen des weiteren deutlich, daß der Düsenkör­ per 10 im Bereich des Düsenaustritts 17 koaxial zum ersten Kanal 11 eine bei 21 und 22 zapfenförmig abgesetzte zylindri­ sche Verjüngung 23 aufweist. Die zylindrische Verjüngung 23 besitzt ein Außengewinde 24, auf das eine außen sechskant­ förmig ausgebildete, insgesamt mit 25 bezifferte Umlenkhaube aufgeschraubt ist. Zusammen mit der zylindrischen Verjüngung 23 des Düsenkörpers 10 bildet die Umlenkhaube 25 in ihrem Inneren einen Ringkanal 26 und - in axialer Fortsetzung dazu - den bereits erwähnten, ebenfalls ringkanalförmig ausgebildeten Düsenaustritt 17. Der Ringkanal 26 ist über die radialen Einfräsungen 18, 19, 20, welche demgemäß als Verbindungsöffnungen fungieren, mit dem ersten Kanal 11 verbunden derart, daß das Gas-Flüssigkeits-Gemisch aus dem ersten Kanal 11 über die Verbindungsöffnungen 18 bis 20 in den Ringkanal 26 und von dort über den Düsenaustritt 17 ins Freie gelangen kann. Während der Ringkanal 26 eine zylindrische Außenbegrenzung 27 besitzt, ist der ringkanal­ förmige Düsenaustritt 17 in Strömungsrichtung 16 erweitert ausgebildet und weist zu diesem Zweck eine konische Außen­ begrenzung 28 auf (siehe Fig. 1 und 4).

Die im Vorstehenden beschriebene Zweistoff-Zerstäubungsdüse arbeitet nun wie folgt. Bei der Einleitung von Wasser durch den zweiten Kanal 13 und Luft durch den dritten Kanal 14 in den ersten Kanal 11 erfolgt dort aufgrund der rechtwinklig zueinander stehenden Zuführungsrichtungen der beiden Medien eine Vormischung derselben. Das Luft-Wasser-Gemisch strömt dabei entlang des ersten Kanals 11 in Pfeilrichtung 16, bis es auf den Prallboden 15 auftrifft. Der Prallboden 15 ist in dem aus Fig. 1 bis 4 ersichtlichen Ausführungsbeispiel ebenflächig ausgebildet. Er kann aber - je nach gewünschter Flüssigkeitsverteilung - auch kugelig oder kegelig vertieft ausgeführt sein. Am Prallboden 15 erfolgt eine Umlenkung des Gemisches in Richtung radial nach außen, wobei es - wie in Fig. 4 angedeutet - durch die als Verbindungsöffnungen fungierenden Einfräsungen 18, 19, 20 in den zylindrischen Ringkanal 26 und gleichzeitig bzw. anschließend in den konisch/ ringkanalförmigen Düsenaustritt 17 gelangt, von wo es als fein zerstäubter Vollkegelstrahl ins Freie tritt. Durch die mehrmalige Umlenkung am Prallboden 15 und innerhalb der Umlenkhaube 25 findet die vollständige bzw. endgültige Vermischung des bisher im ersten Kanal 11 vorgemischten Luft-Wasser-Gemischs statt, wodurch der angestrebte Vollkegel­ strahl ermöglicht wird.

Bei der Zweistoff-Zerstäubungsdüse nach Fig. 5 und 6 sind die der Ausführungsform nach Fig. 1 bis 4 entsprechenden Teile der Übersichtlichkeit halber mit gleichen Bezugszeichen versehen, die jedoch zur Unterscheidung gegenüber der Ausfüh­ rungsform nach Fig. 1 bis 4 durch den Buchstaben a ergänzt sind.

Nach Fig. 5 und 6 ist nun - im Unterschied zur Ausführungsform nach Fig. 1 bis 4 - der erste Kanal 11a als durchgehende Bohrung ausgeführt, und der Prallboden 36 wird durch ein als Separatteil im Düsenkörper 10a angeordnetes Zapfenteil 30 gebildet. Das Zapfenteil 30 ist hierbei durch ein auf einem Absatz 29 des ersten Kanals 11a angeordnetes Befestigungs­ teil 15a fixiert. Zur Befestigung dienen zwei Muttern 31, 32. Wie weiterhin aus Fig. 5 ersichtlich ist, ist das Zapfenteil 30 an seinem düsenaustrittsseitigen Ende 33 tellerförmig er­ weitert ausgestaltet und bildet dort den Prallboden 36, der demgemäß eine radiusförmig gekrümmte Oberfläche aufweist.

Alternativ zu der aus Fig. 5 ersichtlichen Ausführung des Prallbodens 36 ist es aber auch denkbar, dessen Oberfläche ebenflächig auszubilden und rechtwinklig zur Düsenlängs­ achse (etwa wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1 bis 4) auszurichten. Auch eine schräg/konische Ausbildung der Oberfläche des Prallbodens 36 ist möglich.

Entsprechende Alternativ-Ausgestaltungen des Prallbodens sind auch bei Ausführungsform nach Fig. 1 bis 4 denkbar.

Bei der Variante nach Fig. 5 und 6 wird die außenseitige Begrenzung von Ringkanal 26a und Düsenaustritt 17a - ähnlich wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1 bis 4 - durch ent­ sprechende Innenwandungen 27a bzw. 28a einer Umlenkhaube 25a vorgenommen, die auf ein Gewinde 24a einer zapfenförmig abgesetzten Verjüngung 23a des Düsenkörpers 10a aufgeschraubt ist.

Eine weitere Besonderheit der Zweistoff-Zerstäubungsdüse nach Fig. 5 und 6 besteht darin, daß das Zapfenteil 30 ober­ halb seiner tellerförmigen Erweiterung einen kleineren Durch­ messer als der erste Kanal 11a besitzt und daß ein sich hier­ durch zwischen Zapfenteil 30 und Wandung des ersten Kanals 11a ergebender Ringspalt 34 als Verbindungsöffnung vom Befestigungs­ teil 15a zum Ringkanal 26a bzw. zum Düsenaustritt 17a dient. Am unteren Ende der zapfenförmig abgesetzten Verjüngung 23a geht der erste Kanal 11a in eine abgerundete Erweiterung 35 über, die der Abrundung des Prallbodens 36 entspricht. In seiner aus Fig. 5 ersichtlichen Lage innerhalb des Düsenkör­ pers 10a wird das Zapfenteil 30 durch einen in Fig. 5 schema­ tisch angedeuteten und mit 37 bezeichneten Abstandshalter fixiert, der axiale Durchtrittsöffnungen 38 für das in Pfeil­ richtung 16a strömende Luft-Wasser-Gemisch besitzt.

Die Zweistoff-Zerstäubungsdüse nach Fig. 5 und 6 besitzt gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 1 bis 4 noch eine weitere Besonderheit, auf die hier hingewiesen werden soll. Das Befestigungsteil 15a ist nämlich in Draufsicht bzw. im Quer­ schnitt gesehen als gleichseitiges Dreieck ausgebildet, wo­ bei die Ecken entsprechend dem Radius des ersten Kanals 11a abgerundet sind und an diesem anliegen. Als Verbindungs­ öffnungen für das Luft-Wasser-Gemisch vom Befestigungsteil 15a zum Ringspalt 34 und damit auch zum Ringkanal 26a und zum Düsenaustritt 17a dienen sich zwischen den "Dreiecksseiten" des Befestigungsteils 15a und der Wandung des ersten Kanals 11a ergebende bogen- bzw. sekantenförmige Ausnehmungen, die in Fig. 6 mit 18a, 19a und 20a beziffert sind.

Hinsichtlich ihrer Arbeitsweise entspricht die Zweistoff-Zer­ stäubungsdüse nach Fig. 5 und 6 im wesentlichen derjenigen der Ausführungsform nach Fig. 1 bis 4, so daß sich hier noch­ malige ins Detail gehende Erörterungen erübrigen. Zu er­ wähnen ist indessen noch eine sowohl bei der Zweistoff-Zer­ stäubungsdüse nach Fig. 1 bis 4 wie auch für die Ausführungs­ form nach Fig. 5 bis 6 zum Tragen kommende Besonderheit. Diese besteht darin, daß die Umlenkhaube 25 bzw. 26 aufgrund ihrer Verschraubung mit der zylindrischen Verjüngung 23 bzw. 23a des Düsenkörpers 10 bzw. 10a gegenüber letzterem in Axialrichtung stufenlos verstellbar ist. Hierdurch läßt sich vorteilhafterweise der Strahlwinkel des aus der Düse austretenden Vollkegelstrahls stufenlos von ca. 45° bis ca. 120° variieren.

Alternativ zu der in der Zeichnung dargestellten Verschraubung der Umlenkhaube 25, 25a mit dem Düsenkörper 10, 10a läßt sich aber auch eine Befestigung der Umlenkhaube (25, 25a) durch eine Rasterung denken, die in bestimmten axialen Abstän­ den am Düsenkörper (10, 10a) bzw. an dessen zylindrischer Verjüngung (23, 23a) vorzusehen wäre. Hierdurch wäre eine stufenförmige Verstellbarkeit der Umlenkhaube (25, 25a) gegenüber dem Düsenkörper (10, 10a) und damit eine entsprechend stufenförmige Variierung des Vollkegel-Strahlwinkels realisier­ bar.

Claims (11)

1. Zweistoff-Zerstäubungsdüse zur Erzeugung eines Vollkegel­ strahls, der einen Strahlwinkel von größer als 45° aufweist, insbesondere zur Kühlung von Gußerzeugnissen in Stranggießanlagen, mit einem Düsenkörper, der einen koaxial zu einem sich konisch in Strömungsrichtung erweiternden Düsenaustritt verlaufenden ersten Kanal (11, 11a) besitzt, dem durch einen rechtwinklig zum ersten Kanal (11, 11a) angeordneten zweiten Kanal (13, 13a) ein gasförmiges Medium und durch einen ebenfalls rechtwinklig zum ersten Kanal (11, 11a) angeordneten dritten Kanal (14, 14a) ein flüssiges Medium zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kanal (13, 13a) und der dritte Kanal (14, 14a) rechtwinkling zueinander angeordnet sind und auf gleicher Höhe in den ersten Kanal (11, 11a) einmünden, und daß innerhalb des ersten Kanals (11, 11a) ein Prallboden (15, 36) angeordnet ist, auf den ein im ersten Kanal (11, 11a) aus dem gasförmigen und aus dem flüssigen Medium durch Vormischung gebildetes Zweistoffgemisch auftrifft, und daß im Düsenkörper (10, 10a) den Prallboden (15, 36) konzentrisch umgebende Prallwände (27, 28) vorgesehen sind, wobei die in Strömungsrichtung erste Prallwand (27) zylinderförmig und die sich daran anschließende Prallwand (28) konisch in Strömungsrichtung erweitert ist.

2. Zweistoff-Zerstäubungsdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kanal (11) als Sacklochbohrung ausgebildet ist und als Prallboden der Boden (15) der Sacklochbohrung dient, und daß oberhalb des Prallbodens (15) seitliche Einfräsungen (18, 19, 20) im Düsenkörper (10) vorgesehen sind, die radial in den ersten Kanal (11) einmünden und als Verbindungsöffnungen zu der ersten Prallwand (27) dienen.

3. Zweistoff-Zerstäubungsdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Prallboden (15) eine ebene, im rechten Winkel zur Düsenlängsachse gerichtete Oberfläche besitzt.

4. Zweistoff-Zerstäubungsdüse nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenkörper (10) im Bereich der sich konisch in Strömungsrichtung erweiternden zweiten Prallwand (28) koaxial zum ersten Kanal (11) eine abgesetzte zylindrische Verjüngung (23) seines Außenumfangs aufweist.

5. Zweistoff-Zerstäubungsdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kanal (11a) als durchgehende Bohrung ausgebildet ist und der Prallboden (36) Bestandteil eines Zapfenteils (30) ist, welches von der sich konisch erweiternden zweiten Prallwand (17a) her in den ersten Kanal (11a) eingesetzt ist.

6. Zweistoff-Zerstäubungsdüse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Prallboden (36) eine radial nach außen gekrümmte Oberfläche aufweist, die stufenlos in den in den Kanal (11a) eingesetzten Teil des Zapfenteils (30) übergeht.

7. Zweistoff-Zerstäubungsdüse nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das den Prallboden (36) bildende Zapfenteil (30) im ersten Kanal (11a) durch ein auf einem Absatz (29) angeordnetes Befestigungsteil (15a) fixiert ist, welches Aussparungen (18a, 19a, 20a) für den Durchtritt der Medien aufweist.

8. Zweistoff-Zerstäubungsdüse nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Zapfenteil (30) an seinem in Strömungsrichtung liegenden Ende (33) tellerförmig erweitert ausgestaltet ist und daß das Ende (33) den Prallboden (36) sowie mit den ihn umgebenden Prallwänden (27, 28) einen ringkanalförmigen Düsenaustritt (17a) bildet.

9. Zweistoff-Zerstäubungsdüse nach den Ansprüchen 1 und 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Zapfenteil (30) oberhalb seines sich tellerförmig erweiternden Endes (33) einen kleineren Durchmesser als der erste Kanal (11a) besitzt und daß ein sich hierdurch zwischen Zapfenteil (30) und Wandung des ersten Kanals (11a) ergebender Ringspalt (34) als Verbindungsöffnung von dem Befestigungsteil (15a) zum ringkanalartig ausgebildeten Prallwandbereich (26a, 17a) dient.

10. Zweistoff-Zerstäubungsdüse nach einem oder mehreren der Ansprüche 5-9, dadurch gekennzeichnet, daß das Befestigungsteil (15a) in Draufsicht und im Querschnitt als ein Dreieck mit abgerundeten Ecken ausgebildet ist, die entsprechend dem Radius des ersten Kanals (11a) an diesem anliegen.

11. Zweistoff-Zerstäubungsdüse nach einem oder mehreren, der Ansprüche 1, 2 und 5-10, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenkörper (10, 10a) außen eine zapfenförmig abgesetzte Verjüngung in Strömungsrichtung mit einem Außengewinde (24, 24a) aufweist, auf dem eine Umlenkhaube (25, 25a) in Axialrichtung verstellbar aufgeschraubt ist, in der die den Prallboden umgebenden Prallwände (27, 28) ausgebildet sind.