DE9111224U1

DE9111224U1 - Dampfbetriebene Zerstäuberdüse, insbesondere für zähflüssige Suspensionen und Lösungen

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Publication number: DE9111224U1
Application number: DE9111224U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1991-09-10
Filing date: 1991-09-10
Publication date: 1993-01-21
Anticipated expiration: 2001-09-11

Description

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Siemens Aktiengesellschaft

Dampfbetriebene Zerstäuberdüse, insbesondere für zähflüssige Suspensionen und Lösungen

Die Erfindung betrifft eine Düse zur Zerstäubung von Flüssigkeiten, welche eine im Vergleich zu Wasser erhöhte Viskosität aufweisen.

Für eine ausreichend feine und gleichmäßige Zerstäubung von höherviskosen Flüssigkeiten ist es häufig nicht ausreichend, diese unter einem hohen Vordruck einer Zerstäuberdüse zuzuführen. Für eine Zerstäubung nach diesem Prinzip wären zum einen sehr hohe Vordrücke im Inneren der zu zerstäubenden Flüssigkeit notwendig, während zum anderen die Querschnittsfläche im Inneren der Zerstäuberdüse einen nur relativ kleinen Wert aufweisen dürfte. Bei einem derartigen System wäre der Durchsatz der zu zerstäubenden Flüssigkeit durch die Düse relativ gering. Zum anderen ist der Zerstäubungsgrad, d.h. die Größe und Verteilung der Tröpfchen in der zerstäubten Tröpfchenwolke, nur schwer einstellbar. Schließlich ist mit einer nur geringen Standzeit einer derart belasteten Zerstäuberdüse zu rechnen, da die unter hohem Vordruck stehende und trotz Vorwärmung meist recht zähe zu zerstäubende Flüssigkeit hohe Abrasionen im Inneren der nur eine geringe Durchtrittsfläche aufweisenden Düse verursacht.

Zur Vermeidung dieser Probleme ist es bekannt, die Zerstäuberdüse als eine sogenannte Zweiphasendüse auszuführen. Der Düse wird dabei zum Zwecke der Zerstäubung ein bevorzugt unter hohem Vordruck stehendes Hilfsmedium zugeführt. Die Erfindung betrifft dabei speziell den Fall, bei dem als Hilfsmedium Zerstäuberdampf verwendet wird. Dieser wird in die Zerstäuberdüse injiziert und bewirkt eine gleichmäßige, feine Zer-

Mie/Pfa 06.09.1991

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stäubung auch von sehr zähflüssigen Suspensionen und Lösungen. Derartige dampfbetriebene Zerstäuberdüsen finden beispielhaft Verwendung bei Ablaubenverbrennungsanlagen. In einer solchen werden die Abwässer bzw. Ablaugen z.B. von verfahrenstechnischen Prozessen eingespritzt und durch thermische Verbrennung entsorgt. In vielen Fällen weisen die zu zerstäubenden Flüssigkeiten einen größeren Gehalt an fein verteilten, bevorzugt organischen Feststoffen, und somit einen nennenswerten Heizwert auf. Als ein Beispiel für eine derartige Flüssigkeit sei die Ablauge eines Zellstoffkochers genannt. Deren Heizwert beruht auf dem zum Teil relativ hohen Gehalt an festen und gelösten Holzbestandteilen. Diese Ablaugen werden somit zunehmend in Verbrennungsanlagen mit einer gegebenenfalls angeschlossenen zusätzlichen Rückgewinnungsanlage für chemische Inhaltsstoffe thermisch entsorgt. Zur Erzielung von ausreichend gleichmäßigen und optimalen Verbrennungsbedingungen im Inneren einer derartigen Verbrennungsanlage ist es notwendig, die zu verbrennende Ablauge mit Hilfe des Zerstäuberdampfes in eine möglichst gleichmäßige, fein verteilte Tröpfchenwolke am Ausgang der Zerstäuberdüse zu überführen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine dampfbetriebene Zerstäuberdüse anzugeben, bei der durch die Zuführung des unter bevorzugt hohen Vordruck stehenden Zerstäuberdampfes mögliehst geringe Materialabrasionen auf den innenseitigen Oberflächen auftreten, und die Zerstäuberdüse somit eine möglichst große Standzeit aufweist.

Die Aufgabe wird gelöst mit der im Schutzanspruch angegebenen Zerstäuberdüse.

Die Düse weist Einspritzkanäle für die Zuführung des unter bevorzugt hohem Vordruck stehenden Zerstäuberdampfes auf. Erfindungsgemäß münden diese Einspritzkanäle in einen zylindri-35

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sehen Zuführungskanal für die zu zerstäubende Flüssigkeit, und zwar in den Übergangsbereich desselben zum eigentlichen Düsenkegel, d.h. annähernd in den Bereich vor der Eintrittsebene in den Düsenkegel. Die Einspritzkanäle sind zu dem derart schräg angeordnet, daß die hierdurch hervorgerufenen Einspritzrichtungen für den Zerstäuberdampf relativ zur Düsenachse in Richtung auf den Düsenkegel, d.h. zumindest dessen Eintrittsöffnung, geneigt sind. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung sind die Einspritzkanäle so geneigt, daß der Dampfstrahl, der am Ausgang der Einspritzkanäle in die zu zerstäubende Flüssigkeit am Ende des zylindrischen Zuführungskanales eintritt, keinen theoretischen Auftreffpunkt auf einer gegenüberliegenden Innenseite der Düsenwandung bzw. des Zuführungskanales mehr aufweist. Vielmehr stellt ein derartiger, in Richtung zum Düsenkegel geneigter, und insbesondere direkt in die Düsenöffnung gerichteter Strahl einen sogenannten "freien" Dampfstrahl dar, dessen kinetische Energie nahezu vollständig zur Zerstäubung der höherviskosen Flüssigkeit zur Verfügung steht. Es geht somit kein Teil der Dampfenergie dadurch verloren, daß die Verlängerungen der Einspritzrichtungen des Zerstäuberdampfes ungünstigen falls frontal, d.h. in einer Radialebene senkrecht zur Düsenachse liegend, auf gegenüberliegende Oberflächen im Inneren der Zerstäuberdüse auftreffen. Vorteilhaft sind die Einspritzkanäle derart schräg angeordnet, daß die hierdurch hervorgerufenen Einspritzrichtungen für den Zerstäuberdampf möglichst direkt in den Düsenkegel gerichtet sind. Bei geeigneter Neigung der Einspritzkanäle kann hierdurch erreicht werden, daß die geradlinigen Verlängerungen der Einspritzrichtungen überhaupt nicht mehr auf irgendwelche Oberflächen im Inneren des Zuführungskanales bzw. des Düsenkegels auftreffen. Durch eine derartige räumliche Gestaltung kann die Abrasion im Inneren der Zerstäuberdüse minimiert und deren Standzeit somit erheblich vergrößert werden.

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Die Erfindung und vorteilhafte Ausführungsformen derselben werden desweiteren anhand eines, in den Figuren 1 und 2 dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Dabei zeigt:

FIG 1 eine Längsschnitt - und FIG 2 eine Querschnittsdarstellung durch eine beispielhafte Zerstäuberdüse.

Das Innere des Körpers W der Zerstäuberdüse von FIG 1 weist symmetrisch zur Düsenachse DA im wesentlichen zwei aufeinanderfolgende Hohlräume auf. So wird zum einen die zu zerstäubende Flüssigkeit AB in Richtung des in FIG 1 eingetragenen Pfeiles in einen zylindrischen Zuführungskanal ZK eingeleitet. Zur Heranführung der Flüssigkeit AB an die Zerstäuberdüse dienende, nicht dargestellte Rohrleitungen können bevorzugt unter zu Hilfenahme des Außengewindes AG und des Dichtringes DR2 an der Eintrittsseite des Düsenkörpers W montiert werden. An den zylindrischen Zuführungskanal ZK schließt sich im Inneren der Düse als zweiter Hohlraum der eigentliche Düsenkegel DK an. Beide Hohlräume sind über eine die Düseneintrittsebene E bildende Verengungsstelle miteinander verbunden. Aufgrund der Düsenwirkung des Düsenkegels DK tritt jenseits der Düsenaustrittsebene A die gewünschte Tröpfchenwolke TW der zu zerstäubenden Flüssigkeit AB auf.

Erfindungsgemäß weist die Zerstäuberdüse bevorzugt radial um die Düsenachse DA angeordnete, die Düsenwandung W durchdringende Einspritzkanäle für die Zuführung des unter bevorzugt hohen Vordruck stehenden Zerstäuberdampfes auf. In FIG 1 sind diese Einspritzkanäle beispielhaft in zwei Gruppen gegliedert. Die zur jeweilen Gruppe gehörigen Einspritzkanäle SKI bzw. SK2 sind dabei jeweils ringförmig um die Düsenachse DA gruppiert. Der Zerstäuberdampf ZD wird der Düse auf der Außenseite von deren Wandung W mit Hilfe von nicht dargestellten, die Düse

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bevorzugt zylindrisch umgebenden Rohrelementen zugeführt. Im Beispiel der FIG 1 sind zur besseren Übersicht lediglich die Eintrittsrichtungen des Zerstäuberdampfes ZD in die Eintrittskanäle SKI, SK2 durch Pfeile auf der Außenseite des Düsenkörpers symbolisch dargestellt. Vorteilhaft ist ein weiterer Dichtring DRl vorhanden, welche den Düsenkörper DW im Bereich des Düsenkegels nahe bei der Düsenaustrittsebene A umgibt, um ein Entweichen des anströmenden Zersäuberdampfes ZD nach vorne in Richtung auf die Tröpfchenwolke TW zu verhindern.

Erfindungsgemäß münden die Einspritzkanäle SKI, SK2 für den Zerstäuberdampf ZD zum einen im Bereich der Übergangsebene E zwischen dem Ende des zylindrischen Zuführungskanales ZK und dem Beginn des Düsenkegels DK. Zudem sind sie erfindungsgemäß relativ zur Düsenachse DA zumindest derart schräg angeordnet, daß die hierdurch erzeugten Einspritzrichtungen EKl, EK2 für den Zerstäuberdampf ZD in Richtung auf den Düsenkegel DK geneigt sind. Die Einspritzrichtungen weisen somit eine Komponente auf, welche der Strömungsrichtung der zu zerstäubenden Flüssigkeit AB im zylindrischen Zuführungskanal ZK gleichgerichtet ist. Vorteilhaft weisen die Neigungen der Einspritzkanäle SKI, SK2 einen im Wertebereich von 30 bis 60* liegenden Winkel gegenüber der Düsenachse DA auf. Bevorzugt verfügt dieser Neigungswinkel einen mittleren Wert von 45°.

Gemäß einer weiteren, in FIG 1 bereits dargestellten Ausführungsform sind die Einspritzkanäle SKI, SK2 derart schräg angeordnet, daß die hierdurch erzeugten Einspritzrichtungen EKl, EK2 für den Zerstäuberdampf ZD in das Innere des Düsenkegels DK gerichtet sind. Besonders vorteilhaft ist deren Lage und Neigung relativ zu den übrigen strömungstechnisch wesentlichen Abmessungen im Inneren der Düse, insbesondere den jeweiligen Größen der Düseneintritts- und Austrittsebene E,

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A und deren axialem Abstand, derart ausgewählt, daß die radialen Verlängerungen der Einspritzrichtungen EKl, EK2 nicht mehr insbesondere auf die Oberflächen DW im Inneren des Düsenkegels DK auftreffen. Sie treten somit kollisionsfrei durch die Austrittsebene A nach außen.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß insbesondere durch die räumliche Anordnung der Einspritzkanäle der Zerstäuberdampf in optimaler Weise, d.h. langfristig eine möglichst minimale Materialabrasion auf den Oberflächen im Inneren des zylindrischen Zuführungskanals ZK und/oder des Düsenkegels DK verursachend, injiziert wird. Es hat sich herausgestellt, daß die erfindungsgemäße konstruktive Gestaltung der Einspritzkanäle weitere, zunächst unerwartete Vorteile aufweist. So wird durch die Neigung der Einspritzkanäle generell die "Beeinflußbarkeit" des aktuellen Zustandes des Tröpfchenwolke verbessert. Zum einen kann ein bestimmter Zerstäubungsgrad für die zu zerstäubende Flüssigkeit unter Aufwendung einer reduzierten Zerstäuberdampfmenge erreicht werden. Desweiteren nimmt im regelungstechnischen Sinne insbesondere die "Steuerbarkeit" der Düse zu. Die Zerstäubungsbedingungen können somit trotz möglicherweise auftretender Schwankungen insbesondere in der Zusammensetzung und Viskosität der zu zerstäubenden Flüssigkeit durch Beeinflussung des aktuell zugeführten Massenstromes des Zerstäuberdampfes anwendungsabhängig optimal eingestellt werden. Die "Verstärkung" zwischen dem Zerstäuberdampfmassenstrom an der Düseneingangsseite und der mittleren Tröpfchengröße in der Partikelwolke am Düsenausgang ist reduziert. Der Zustand der Tröpfenwolke kann somit trotz eines geringeren Einsatzes an Zerstäuberdampf in einem größeren Stellbereich "feinfühliger" eingestellt werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die Einspritzkanäle SKI, SK2 derart schräg angeordnet sein, daß deren Einspritzrichtung EKl, EK2 für den Zerstäuberdampf zentral

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In den Figuren 1 und 2 ist wiederum eine andere Ausführungsart dargestellt, bei der die Einspritzkanäle SKI, SK2 derart schräg angeordnet sind, daß deren Einspritzrichtung EKl, EK2 für den Zerstäuberdampf ZD in der Düsenachse DA vorbei und schräg tangential zu den Wandungen im Inneren zumindest des zylindrischen Zuführungskanales ZK verlaufend in Richtung auf den Düsenkegel DK geneigt sind. Die Darstellungen der Figuren 1 und 2 sind dabei zusammengehörig. So stellt die FIG 1 eine Längsschnittdarstellung entlang der Schnittlinie I von FIG 2, und die FIG 2 eine Querschnittdarstellung entlang der Schnittlinie II von FIG 1 dar. Aufgrund der erfindungsgemäßen Neigungen der Einspritzkanäle treten in der Längsschnittdarstellung von FIG nur die außenliegenden Eintrittsöffnungen der Kanäle SK2 und die innenliegenden Austrittsöffnungen der Kanäle SKI hervor.

Die verbleibenden, zeichentechnisch ansich nicht darstellbaren Bereiche der Einspritzkanäle sind strichliert angedeutet. In entsprechender Weise treten in der Querschnittdarstellung von FIG 2 lediglich die außenliegenden Eintrittsöffnungen der Einspritzkanäle SKI und die innenliegenden Austrittsöffnungen der Einspritzkanäle SK2 hervor. Auch hier sind die nicht in der Schnittebene liegenden Bereiche der Einspritzkanäle zur besseren Übersicht strichliert markiert. Insbesondere anhand von FIG 2 ist zu erkennen, daß bei dieser bevorzugten Ausführungsform die Einspritzrichtungen EKl, EK2 zwar zur Düsenachse geneigt und auf den Düsenkegel gerichtet sind, aber an der Düsenachse DA vorbei und schräg tangential zumindest zu den Wandungen im Inneren des zylindrischen Zuführungskanales ZK verlaufen. Bei der Darstellung von FIG 2 ist zu beachten, daß die dort symmbolisch eingetragenen Einspritzrichtungen EK2 am Ende der Einspritzkanäle SK2 tatsächlich nicht in der Blattebene liegen, sondern schräg aus dieser nach oben gerichtet hervortreten. Zeichentechnisch darstellbar ist nur die in der eine Radialebene zur Düsenachse DA darstellende Blattebene liegende Richtungskomponente. Dementsprechend treffen deren geradlinigen Verlängerungen auch nicht auf Oberflächen im Inneren des zylindrischen Zuführungskanales

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1 ZK bzw. des Düsenkegels DK, sondern treten kollisionsfrei durch die Düsenaustrittsebene A hindurch.

Die gemäß der Erfindung aufgebaute Düse eignet sich besonders 5 zur Zerstäubung und Einspritzung zähflüssiger Ablaugen in

einen Ablaugenverbrennungskessel. Bei diesen Ablaugen kann es sich besonders um die am Ausgang eines Zellstoffherstellungsprozesses anfallenden Abwässer handeln, welche nach einer Eindickung eine sehr zähflüssige Konsistenz aufweisen und sich 10 trotz Vorwärmung nur schwer zerstäuben lassen.

Claims

■ 91 G 8 5 4 3 OE Schutzansprüche

1. Düse zur Zerstäubung (TW) von Flüssigkeiten (AB), welche eine im Vergleich zu Wasser erhöhte Viskosität aufweisen, insbesondere von zähflüssigen Suspensionen und Lösungen, mit

a) einem zylindrischen Zuführungskanal (ZK) für die zu zerstäubende Flüssigkeit (AB),

b) einem Düsenkegel (DK₁DW) im Anschluß an das Ende (E) des Zuführungskanales (ZK), und mit

c) Einspritzkanälen (SK1,SK2) für die Zuführung von unter bevorzugt hohem Vordruck stehenden Zerstäuberdampf, (ZD), welche

el) im Bereich der Eintrittsebene (E) des Düsenkegels (DK) in den Zuführungskanal (ZK) münden, und

c2) derart schräg angeordnet sind, daß die Einspritzrichtungen (EKl,EK2) für den Zerstäuberdampf (ZD) relativ zur Düsenachse (DA) in Richtung auf den Düsenkegel (DK) geneigt sind.

2. Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Einspritzkanäle (SK1,SK2) derart schräg angeordnet sind, daß die Einspritzrichtungen (EKl,EK2) für den Zerstäuberdampf (ZD) in den Düsenkegel (DK) gerichtet sind.

3. Düse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die geradlinigen Verlängerungen der Einspritzrichtungen (EKl,EK2) nicht auf Oberflächen (DW) insbesondere im Inneren des Düsenkegels (DK) auftreffen.

91 G 8 5 4 9 OE &iacgr;&ogr;

4. Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Einspritzkanäle (SK1,SK2) derart schräg angeordnet sind, daß die Einspritzrichtungen (EKl,EK2) für den Zerstäuberdampf (ZD) zentral auf die Düsenachse (DA) gerichtet sind.

5. Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Einspritzkanäle (SKI, SK2) derart schräg angeordnet sind, daß die Einspritzrichtungen (EKl,EK2) für den Zerstäuberdampf (ZD) an der Düsenachse (DA) vorbei und schräg tangential zu den Wandungen zumindest im Inneren des zylindrischen Zuführungskanales (ZK) verlaufen.