EP1062048A1 - Verfahren zum verändern der drallbewegung eines fluids in der drallkammer einer düse und drallerzeuger für düsen - Google Patents

Verfahren zum verändern der drallbewegung eines fluids in der drallkammer einer düse und drallerzeuger für düsen

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EP1062048A1
EP1062048A1 EP99916822A EP99916822A EP1062048A1 EP 1062048 A1 EP1062048 A1 EP 1062048A1 EP 99916822 A EP99916822 A EP 99916822A EP 99916822 A EP99916822 A EP 99916822A EP 1062048 A1 EP1062048 A1 EP 1062048A1
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EP
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swirl
cross
swirl chamber
tangential
partial
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Günter Slowik
Jürgen Kohlmann
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    • B05B1/00—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B05B1/3436—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to influence the nature of flow of the liquid or other fluent material, e.g. to produce swirl to produce swirl before discharging the liquid or other fluent material, e.g. in a swirl chamber upstream the spray outlet with channels emerging substantially tangentially in the swirl chamber the channels being formed at the interface of cooperating elements, e.g. by means of grooves the interface being a plane perpendicular to the outlet axis
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B05B1/3405—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to influence the nature of flow of the liquid or other fluent material, e.g. to produce swirl to produce swirl
    • B05B1/341—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to influence the nature of flow of the liquid or other fluent material, e.g. to produce swirl to produce swirl before discharging the liquid or other fluent material, e.g. in a swirl chamber upstream the spray outlet
    • B05B1/3478—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to influence the nature of flow of the liquid or other fluent material, e.g. to produce swirl to produce swirl before discharging the liquid or other fluent material, e.g. in a swirl chamber upstream the spray outlet the liquid flowing at least two different courses before reaching the swirl chamber

Definitions

  • the invention relates to a method for changing the swirl movement of a fluid in the swirl chamber of a nozzle and swirl generator for nozzles.
  • nozzles are used in particular in industrial burners, oil burners and plants for flue gas scrubbing and for spray drying of food.
  • the liquid throughput that is atomized can be kept constant, although the speed of entry of the liquid into the swirl chamber can be changed and thus the swirl strength and, consequently, the drop quality can be adjusted.
  • the disadvantage of this solution is the need to circulate liquid.
  • the control range of the spill-return nozzles is limited. There is a significant change in the beam angle over the desired control range.
  • DE 39 36 080 C2 discloses a method for varying the peripheral speed component of the swirl flow of a fluid at the outlet from a swirl nozzle with a swirl chamber with several tangential feeds.
  • the entire material flow of the fluid is divided by division into at least two partial flows, the size of at least one partial flow being changeable.
  • the partial flows are fed to the tangential feed channels of the swirl chamber.
  • the disadvantage is that the achievable control range depends on the number of
  • CONFIRMATION COPY Feed channels is dependent, so that the manufacturing effort for the nozzles with a high control range increases. Although a rotational symmetry of the flow is achieved, the control range remains small.
  • the known nozzles for industrial burners have the disadvantage that the burner output must be kept constant, because otherwise undesirable pollutant emissions occur, especially if the throughput is changed. Often you use several nozzles, whereby optimal conditions can only be achieved for one operating case.
  • the invention had for its object to provide an improved method for changing the swirl movement of a fluid in the swirl chamber of a nozzle, which enables a nozzle to be operated with a large control range and, if possible, a comparable drop quality (average drop diameter and
  • Drop distribution i.e. To create opportunities to be able to regulate the mean drop diameter with a constant volume flow or to keep the drop spectrum constant when regulating the volume flow.
  • a suitable swirl generator for nozzles for carrying out the method is also to be created.
  • the term fluid also means mixtures of different fluids with or without solids.
  • the control options for various nozzle applications created by the new procedure lead to improved productivity of the production systems and to a considerable reduction in costs.
  • the cross-sectional areas should differ by more than four times.
  • the liquid throughput is divided into several partial flows which have different cross-sectional areas.
  • the decisive factors are the cross-sectional areas when the liquid enters the swirl chamber (connection point between the feed channel and the swirl chamber), since the peripheral speed at the periphery of the swirl chamber is determined at this point. If a high swirl strength is desired for a fine droplet spectrum, the partial flow with which the feed channels having the smallest cross-section are applied is to be increased and vice versa. Intermediate values can be set continuously.
  • the simplest way of influencing the throughput of a partial flow is to use a valve.
  • the other aim for which the method can be used is to maintain a certain swirl strength at the exit from the swirl chamber.
  • the ratio of the sum of the cross-sectional areas of the supply channels that are acted upon under full load and the sum of the cross-sectional areas of the supply channels that are acted upon under partial load is to be selected at least as large as the desired ratio of the volume flows under full load and under partial load.
  • the principle of swirl control according to the invention can be used when atomizing liquids in single-substance and two-substance nozzles, in which either the liquid or the gas or both are provided with a peripheral speed in the nozzle.
  • the application is such that the method is applied to both the liquid or the gas or both. It is thus possible to influence the drop quality in two-component nozzles without changing the ratio of liquid throughput / gas throughput. It is irrelevant for what purpose the liquid is atomized. This can be done, for example, for the subsequent drying of a suspension in the drying tower. Oil can also be atomized, which is burned at the nozzle outlet, as is usual with burners.
  • the fluid can also be a gas.
  • the method according to the invention can also be successfully used in gas and coal dust burners, above all to influence the flame shape of the burner.
  • FIG. 1 shows a nozzle according to the invention in a spatial schematic representation
  • FIG. 4 is a bottom view of the nozzle of FIG. 1 without a cover plate
  • 5 shows a circuit diagram for dividing the fluid flow for the nozzle shown in FIG. 1
  • FIG. 6 shows a further embodiment variant of a nozzle as an exploded view in two different views
  • FIG. 7 shows the swirl body of the nozzle according to FIG. 6,
  • FIG. 8 shows a further swirl body for a nozzle according to FIG. 6,
  • FIG. 9 shows the plan view of a swirl body in an enlarged view
  • FIG. 10 shows a section along the line AA in FIG. 9 rotated by 90 °
  • FIG. 11 shows a circuit diagram for a Nozzle with two tangential feed channels
  • FIG. 12 shows a circuit diagram for a nozzle with four tangential feed channels
  • FIG. 13 shows a circuit diagram for a further embodiment variant for a nozzle with four tangential feed channels.
  • the nozzle shown in Figure 1 consists of the nozzle body 1 and the cover or nozzle plate 2 arranged on the outlet side of the nozzle.
  • two feed lines 5a and 5b are arranged above the swirl chamber 3, which are spaced apart in the axial direction and whose inlet openings are offset by 90 °.
  • the supply lines 5a and 5b are horizontally spaced from the nozzle plate 2.
  • the openings of the supply lines 5a and 5b are connected via separate lines 8, 9 to a central line 10 for supplying the total fluid flow F G (FIG. 5).
  • a feed pump 11 is integrated in line 10.
  • a valve 7 is integrated in the line 8 branching off from the line 10, which is connected to the supply line 5b, as a control element.
  • the nozzle outlet opening 6 which is located on the central axis of the nozzle and is connected to the swirl chamber 3 located above the cover plate 2, is incorporated (FIGS. 2 and 3).
  • the swirl chamber 3 has a constant height and has a diameter which is five times the diameter of the nozzle outlet opening 6 in the cover plate 2.
  • Four tangential feed channels 4a, 4b, 4c and 4d open into the swirl chamber 3 and each have the same height at the connection point to the swirl chamber 3.
  • the respective opposite channels 4a and 4c or 4b and 4d are connected to the feed lines 5a and 5b via vertically arranged channels 4a ', 4b', 4c 'and 4d'.
  • the feeder Channels 4a and 4c which have the same cross section at the connection point to the swirl chamber, are connected to the feed line 5a via the vertical channels 4a 'and 4c'.
  • the definition of the "cross-sectional area" is discussed in more detail below.
  • the feed line 5b is connected via the vertical channels 4b 'and 4d' to the tangential feed channels 4b and 4d, which likewise have the same cross section at the connection point to the swirl chamber 3.
  • the feed channels 4a or 4c and 4b or 4d differ in their cross section at the connection point to the swirl chamber 3, the feed channels 4a and 4c have a smaller width than the feed channels 4b and 4d.
  • the offset radial arrangement of the individual feed channels, with respect to their central axis, by 90 ° in each case, was chosen in this way because of the maintenance of the symmetry of the flow of the fluid into the swirl chamber 3.
  • the method and the device are explained together with regard to reaching the control range.
  • the first step is to consider the case where the drop quality is to remain largely uniform with a variable total throughput. This is a requirement for oil burners, for example.
  • the total liquid throughput F G is divided between all tangential feed channels 4a, 4b, 4c and 4d by forming the tangential partial flows T M> T t2 , T t3 and T t4 .
  • This is done by dividing the total fluid flow F G into two partial flows Ti and T 2 , with which the feed lines 5a and 5b are acted upon.
  • the partial flow T 2 with which the tangential feed channels 4b and 4d are acted upon, that is to say the tantential partial flows Tt2 and T t4 (FIG. 5), can be influenced by a control of the valve 7, ie the throughput of the tangential partial flows T c and T t4 can thus be controlled.
  • the liquid flow Ti is divided between the tangential feed channels T t1 and T t3 .
  • the total throughput drops in the partial load case.
  • the partial flow T 2 in the partial line 8 which supplies the tangential supply channels 4b and 4d via the supply line 5b, is throttled by means of the valve 7.
  • a larger throughput T t and T t3 thus reaches the tangential feed channels 4a and 4c.
  • the entry speed in these feed channels rises there despite falling overall throughput and thus leads to a constant swirl movement at the outlet opening 6 of the nozzle.
  • the lowest limit of constant droplet quality is reached when the total throughput is only passed through the feed channels 4a and 4c and the feed channels 4b and 4d are no longer acted upon. If the total throughput drops even more, an increase in the average drop diameter can be expected.
  • the second case which can be treated with the method according to the invention is the control of the drop size with a constant throughput.
  • the breakdown the partial flows are analogous to the first case. If the droplet size is to be reduced at the same throughput, the partial flow which supplies the feed line 5a is to be increased. The total throughput is to be kept constant by means of an appropriate circuit. If a larger drop size is required, the opposite procedure must be followed.
  • FIG. 6 shows a further embodiment of a nozzle in an exploded view, with three tangential feed channels. For better understanding, the nozzle is shown in two views, view a as a vertical arrangement of the nozzle and view b as an arrangement inclined around the central axis.
  • the nozzle consists of the base or nozzle body 1, the swirl body
  • the feed lines 5a and 5b are not arranged horizontally but vertically in the nozzle body 1.
  • the feed line 5a merges in the swirl body 12 into the vertical channel 4a ', which opens into the tangential feed channel 4a.
  • the feed line 5b goes in the
  • FIGS. 7 and 8 show two different versions of the swirl body 12, each as a top view a and a bottom view b.
  • the swirl body 12 according to FIG. 7 is with the swirl body shown in FIG. 6
  • the swirl body 12 according to FIG. 8 is only equipped with two tangential feed channels 4a, 4b. View a shows the top view and view b the bottom view.
  • the partial fluid flow Ti flowing through the feed line 5b is divided into two tangential partial flows T t2 and T t4 , and the other partial flow T 2 passes without
  • FIG. 8 shows an enlarged top view of a swirl chamber 3, into which two tangential feed channels 4a and 4b open. At the connection point to the swirl chamber 3, the two feed channels 4a and 4b have different cross-sectional areas.
  • the tangential feed channels of a nozzle have the same height at the connection point to the swirl chamber 3 and, if necessary, can have different widths, as illustrated in FIG. 9 by the width dimensions Bi and B 2 .
  • the respective width dimension is the distance between two intersection points Si and S 2 lying on a parallel line to the central axis M, the intersection point S being the intersection point between the circumferential surface of the swirl chamber and the wall of the tangential feed channel adjacent thereto and the intersection point S 2 being the intersection point the parallel line with the opposite wall of the tangential feed channel.
  • connection point of the tangential feed channels to the swirl chamber can also be designed as a circular cross-section, in which case different cross-sectional areas can be achieved in an analogous manner at this point through different diameters of the respective bores.
  • the tangential feed channels 4a and 4b can be designed differently outside the connection point to the swirl chamber, for example have a constant channel cross section or the channel cross section tapers in the direction of the swirl chamber. In the case of two tangential feed channels of a nozzle, as shown in FIGS. 9 and 10, it is absolutely necessary that these channels have different cross-sectional areas at the connection points to the swirl chamber.
  • the ratio of the diameter Di of the nozzle outlet opening to the diameter D 2 of the swirl chamber should be in a range from 2 to 12. If a nozzle is designed with a plurality of tangential feed channels, it is expedient if these are distributed uniformly over the circumference or the inner lateral surface of the swirl chamber. It has proven to be advantageous if the swirl chamber and the cross sections of the tangential feed channels at the connection point Swirl chamber can be dimensioned according to a certain ratio, as follows:
  • B is either the width or the diameter of the channel at the point of connection to the swirl chamber and D or D 2 are the diameters of the outlet nozzle or swirl chamber, as explained above.
  • the swirl chamber has a smaller dimension than the diameter.
  • the speeds on the inner swirl chamber casing can also be lower than in the case of smaller swirl chamber diameters, since higher circumferential speeds are formed because of the greater radial distance from the nozzle outlet opening. Therefore, with larger swirl chamber diameters, the cross-sectional areas of the feed channels can be made larger. This makes the manufacture of the tangential feed channels easier and reduces the risk of clogging. If the ratio of the swirl chamber diameter to the nozzle outlet diameter is too large, however, the peripheral speed decreases due to the wall friction.
  • FIGS. 11 to 13 show different circuit arrangements for different versions of the nozzles.
  • the control intervention in the throughput of the fluid flow outside the nozzle is carried out either via a valve or separate pumps.
  • Control means all intervention options that have an effect on the throughput of the fluid flow, such as throttling by valves, influencing the pump characteristic of a pump by changing the speed of the pump or the like.
  • the further distribution of the total fluid flow F G to further partial flows Ti, T 2 , etc. can be anticipated either inside or outside the nozzle.
  • the partial flows T tt to T t are always fed into the swirl chamber tangentially. In the embodiment shown in FIG.
  • the total fluid flow F G delivered by a pump 11 is divided into two partial flows Ti and T 2 , and each via a tangential feed channel T t1 and T ⁇ , which have different cross-sectional areas at the junction with the swirl chamber 3 of the nozzle 14 have supplied to the swirl chamber.
  • the tangential 10 In the line for the partial stream T 2 , the tangential 10
  • a supply valve 7 is integrated with the larger cross-sectional area at the connection point to the swirl chamber.
  • This basic variant causes the least effort in terms of production.
  • the case with constant fluid flow is discussed.
  • the liquid is supplied via a line and two sub-streams are formed by branching.
  • the size of one partial flow can be limited by a valve. After the valve, it is fed to the feed channel with the larger cross-sectional area.
  • the two limit cases exist when the valve is fully open or closed. When the valve is fully open, the liquid throughput is distributed over both supply channels.
  • the peripheral speed on the inner surface of the swirl chamber has its lowest value and thus the peripheral speed at the nozzle outlet is also the lowest.
  • the circumferential speed at the nozzle outlet takes on the greatest value when the valve is closed.
  • the ratio of the smallest cross-sectional area to the total cross-sectional area of both feed channels determines the ratio of partial load to full load that can be achieved and at which the atomization properties do not change essentially.
  • the circuit variant shown in FIG. 11 corresponds to the nozzle shown in FIG. 6 with a swirl body 12 according to FIG. 8.
  • the circuit variant shown in Figure 12 differs from the circuit variant shown in Figure 11 only in that the partial stream T 2 is not divided into a tangential partial stream but three tangential partial streams T ⁇ , T t3 and T t4 , the sum of which from the cross-sectional areas of tangential feed channels at the connection point is larger than the analog cross-sectional area for the tangential partial flow T t1 .
  • the configuration of the nozzle is analogous to that in the embodiment according to FIG. 12. The difference is that there is no branching off of a total fluid flow, but two separate partial flows T and T 2 independently of one another via eccentric screw pumps integrated in the lines 11, 11 'are influenced by a
  • a variant must therefore be used in which the partial flows can be influenced in a different way. This can be done by positive displacement pumps, which are changed in their delivery characteristics. According to this variant, eccentric screw pumps 11, 11 'are used in each partial flow, the throughput of which is adjusted via a change in speed.
  • the present invention can also be used in cases where it is necessary to keep the jet angle of the fluid emerging from the nozzle constant at different throughputs, that is to say to influence the control of the jet angle. With conventional swirl nozzles, a larger jet angle is achieved with increasing throughput.
  • the beam angle is also increased with increasing total throughput.
  • the total throughput can be increased by opening the valve. This increases the beam angle slightly. So if you lower the delivery pressure when the valve is closed, you get a constant jet angle.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verändern der Drallbewegung eines Fluids in der Drallkammer einer Düse und Drallerzeuger für Düsen. Derartige Düsen werden insbesondere in Industriebrennern, Ölbrennern und Anlagen zur Rauchgaswäsche und zur Sprühtrocknung von Lebensmitteln eingesetzt. Ausgehend von den Nachteilen des bekannten Standes der Technik sollen ein Verfahren und die dazugehörige Düse geschaffen werden, mit denen es möglich ist, den mittleren Tropfendurchmesser bei konstantem Volumenstrom regeln zu können oder bei Regelung des Volumenstromes das Tropfenspektrum konstant zu halten. Hierzu wird vorgeschlagen, dass die Teilströme (T1, T2) auf Zuführungskanäle (4a, 4b, 4c, 4d) aufgeteilt werden, die sich in ihren Querschnittsflächen an der Verbindungsstelle zur Drallkammer (3) unterscheiden, wobei bei einer Aufteilung der Teilströme (T1, T2) auf mehr als zwei tangentiale Zuführungskanäle (4a, 4b, 4c, 4d) die Querschnittsflächen aus der Summe der Querschnittsflächen der Zuführungskanäle (4a, 4c oder 4b, 4d), die von dem jeweiligen Teilstrom (T1, T2) abzweigen, gebildet werden, und sich demzufolge die Summen der Querschnittsflächen an der Verbindungsstelle (S1, S2) zur Drallkammer (3) der jeweiligen Teilströme (T1, T2) unterscheiden.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Verändern der Drallbewegung eines Fluids in der Drallkammer einer Düse und Drallerzeuqer für Düsen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verändern der Drallbewegung eines Fluids in der Drallkammer einer Düse und Drallerzeuger für Düsen. Derartige Düsen werden insbesondere in Industriebrennern, Olbrennern und Anlagen zur Rauchgaswäsche und zur Sprühtrocknung von Lebensmitteln eingesetzt.
Bei der Zerstäubung von Flüssigkeiten mit Hilfe von Dralldüsen ist häufig eine Möglichkeit zur Veränderung der Zerstäubungscharakteristik gewünscht. Mit der Veränderung der Umfangsgeschwindigkeit (Drallbewegung bzw. Drallkomponente) des Fluids in der Drallkammer kann Einfluß auf die Tropfengröße des entstehenden Sprays genommen werden. Wichtig ist dabei, daß die Veränderung der Umfangsgeschwindigkeit unabhängig vom Flüssigkeitsdurchsatz vorgenommen werden kann und auch keine mechanische Veränderung an der Düse vorgenommen werden muß. Eine Variante stellen sogenannte spill-retum Düsen (Baypassdüsen) dar. Bei diesen Düsen wird die Flüssigkeit tangential in die Drallkammer geleitet und sowohl aus der Düsenaustrittsöffnung als auch durch eine Rückströmöffnung auf der Mitte der Achse abgeleitet. Dieser Teil des Flüssigkeitsdurchsatzes wird wieder zurück in den Flüssigkeitsspeicher geführt. Durch Veränderung der Rückführrate kann der Flüssigkeits- durchsetz, der zerstäubt wird, konstant gehalten werden, obwohl die Eintrittsgeschwindigkeit der Flüssigkeit in die Drallkammer verändert werden und damit auf die Drallstärke und in der Konsequenz die Tropfenqualität eingestellt werden kann. Der Nachteil dieser Lösung besteht in der Notwendigkeit, Flüssigkeit in einem Kreislauf führen zu müssen. Der Regelbereich der spill-return-Düsen ist nach unten begrenzt. Über den gewünschten Regelbereich kommt es zu einer erheblichen Veränderung des Strahlwinkels.
Aus der DE 39 36 080 C2 ist ein Verfahren zum Variieren der Umfangsgeschwindigkeitskomponente der Drallströmung eines Fluids am Austritt aus einer Dralldüse mit einem Drallraum mit mehreren tangentialen Zuführungen bekannt. Der gesamte Stoffstrom des Fluids wird durch eine Teilung auf mindestens zwei Teilströme aufgeteilt, wobei mindestens ein Teilstrom in seiner Größe veränderbar ist. Die Teilströme werden den tangentialen Zuführungskanälen des Drallraumes zugeführt. Nachteilig wirkt sich aus, daß der erreichbare Regelbereich von der Zahl der
BESTÄTIGUNGSKOPJE Zuführungskanäle abhängig ist, so daß der Fertigungsaufwand für die Düsen mit einem hohen Regelbereich steigt. Es wird zwar eine Rotationssymmetrie der Strömung erreicht, der Regelbereich bleibt aber klein. Die bekannten Düsen für Industriebrenner haben den Nachteil, daß die Brennerleistung konstant gehalten werden muß, weil es ansonsten zu unerwünschten Schadstoffemissionen kommt, insbesondere wenn der Durchsatz verändert wird. Man behilft sich oft mit mehreren Düsen, wobei nur für einen Betriebsfall optimale Bedingungen erreichbar sind.
Bei den in der Sprühtrocknung eingesetzten bekannten Düsensystemen wird eine Einfahrzeit des Systems bei Produktumstellung von 2 bis 3 Stunden benötigt. Das während der Einfahrzeit produzierte Pulver kann nicht weiterverwendet werden und muß mit erheblichem Aufwand recycelt werden. Außerdem kann mit den bekannten DUsensystemen während des Produktionsbetriebes kein Einfluß auf Veränderungen der Produktqualität und Produktspezifikation genommen werden. Ursache für diese Nachteile der bekannten Dralldüsen ist deren eingeschränkter bzw. unzureichender Regelbereich.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Verändern der Drallbewegung eines Fluids in der Drallkammer einer Düse zu schaffen, das ermöglicht, eine Düse mit einem großen Regelbereich betreiben zu können und dabei möglichst eine vergleichbare Tropfenqualität (mittlerer Tropfendurchmesser und
Tropfenverteilung) zu erreichen, d.h. Möglichkeiten zu schaffen, den mittleren Tropfendurchmesser bei konstantem Volumenstrom regeln zu können oder bei Regelung des Volumenstromes das Tropfenspektrum konstant zu halten. Ferner soll ein geeigneter Drallerzeuger für Düsen zur Durchführung des Verfahrens geschaffen werden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen 1 und 18 angegebenen Merkmale gelöst. Entsprechende Ausgestaltungsvarianten der vorgeschlagenen Verfahrensweise sind in den Ansprüchen 2 bis 17 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Drallerzeugers für die Düsen sind Gegenstand der Ansprüche 19 bis 32.
Die vorgeschlagene Verfahrensweise, die Teilströme auf tangentiale Zuführungskanäle aufzuteilen, die sich in ihren Querschnittsflächen an der Verbindungsstelle zur Drallkammer unterscheiden, wobei bei einer Aufteilung der Teilströme auf mehr als zwei tangentiale Zuführungskanäle die Querschnittsflächen aus der Summe der Querschnittsflächen der Zuführungskanäle die von dem jeweiligen Teilstrom abzweigen, gebildet werden, und sich demzufolge die Summen der Querschnittsflächen an der Verbindungsstelle zur Drallkammer der jeweiligen Teilströme unterscheiden, führt zu einer wesentlichen Erweiterung des Regelbereiches beim Betrieb der Düsensysteme. Von besonderem Vorteil beim praktischen Einsatz der Düsen ist die Möglichkeit der Steuerung des Tropfenspektrums bei konstantem Volumenstrom oder bei Veränderung des Volumenstromes das Tropfenspektrum konstant zu halten. Unter dem Begriff Fluid sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch Gemische von verschiedenen Fluiden mit oder ohne Feststoffen zu verstehen. Die durch die neue Verfahrensweise geschaffenen Steuerungsmöglichkeiten für verschiedene Düsenapplikationen führen zu einer verbesserten Produktivität der Produktionsanlagen und zu einer beträchtlichen Reduzierung der Kosten. Um einen hohen Regelbereich zu sichern, sollten die Querschnittsflächen sich um mehr als das Vierfache unterschieden. Der Flüssigkeitsdurchsatz wird erfindungsgemäß auf mehrere Teilströme aufgeteilt, die unterschiedliche Querschnittsflächen aufweisen. Maßgebend sind die Querschnittsflächen beim Eintritt der Flüssigkeit in die Drallkammer (Verbindungsstelle von Zuführungskanal und Drallkammer), da an dieser Stelle die Umfangsgeschwindigkeit an der Peripherie der Drallkammer festgelegt wird. Wird eine hohe Drallstärke für ein feines Tropfenspektrum angestrebt, so ist der Teilstrom zu vergrößern, mit dem die Zuführungskanäle beaufschlagt werden, die den geringsten Querschnitt aufweisen und umgekehrt. Zwischenwerte lassen sich stufenlos einstellen. Die einfachste Einflußnahme auf den Durchsatz eines Teilstromes ist die Verwendung eines Ventils. Die andere Zielrichtung, für die sich das Verfahren anwenden läßt, ist die Aufrechterhaltung einer bestimmten Drallstärke am Austritt aus der Drallkammer. Dabei ist Verhältnis der Summe der Querschnittsflächen der Zuführungskanäle, die im Vollastfall beaufschlagt werden, und der Summe der Querschnittsflächen der Zuführungskanäle, die im Teillastfall beaufschlagt werden, mindestens so groß zu wählen, wie das gewünschte Verhältnis der Volumenströme im Vollast und im Teillastfall.
Das erfindungsgemäße Prinzip der Drallsteuerung läßt sich beim Zerstäuben von Flüssigkeiten in Einstoff- und Zweistoffdüsen anwenden, bei denen entweder die Flüssigkeit oder das Gas oder beides mit einer Umfangsgeschwindigkeit in der Düse versehen werden. Die Anwendung geschieht derart, daß das Verfahren sowohl auf die Flüssigkeit oder das Gas oder beides angewandt wird. Es ist damit möglich, bei Zweistoffdüsen auf die Tropfenqualität Einfluß zu nehmen, ohne das Verhältnis Flüssigkeitsdurchsatz/Gasdurchsatz zu ändern. Es ist dabei unerheblich, zu welchem Zweck die Flüssigkeit zerstäubt wird. Dies kann z.B. für das nachfolgende Trocknen einer Suspension im Trockenturm geschehen. Es kann aber auch Öl zerstäubt werden, das wie bei Brennern üblich, am Düsenaustritt verbrannt wird. Das Fluid kann aber auch ein Gas sein. Dieser Fall ist bei Mehrstoffdüsen möglich, wo das Gas mit einer Drallkomponente versehen wird, um Flüssigkeit zu zerstäuben. Das Gas kann aber auch ohne Gegenwart von Flüssigkeit mit einer Drallkomponente versehen werden, wie bei Gasbrennern, die mit einer Rezirkulation in der Nähe des Düsenaustritts arbeiten. Schließlich ist die Kombination des erfindungsgemäßen Prinzips mit dem spill-return-Verfahren möglich, um noch eine Erweiterung des Regelbereiches zu gestatten. Bei den meisten Sprühtrocknungsanlagen verbietet sich aus ganz unterschiedlichen Gründen der Einsatz von Rückströmdüsen. Bei diesen Anlagen war man bisher gezwungen, mit einer vorgegebenen Düsengeometrie zu operieren. Die häufigen Änderungen des Produktes zwangen daher zu neuer Auswahl des Düsensystems und wegen des erforderlichen Düsenwechsels zum An- und Abfahren der Anlage. Durch das neue System ist eine Anpassung im laufenden Betrieb möglich und durch eine ständige Messung der Produktparameter ist sogar eine Regelung möglich. Veränderungen der Produktparameter, die durch Verschleiß der Düse entstehen, können über eine gewisse Zeit ausgeglichen werden, und somit der Nutzungszeitraum des Sprühturms verlängert werden. Bei der Nutzung der Erfindung auf dem Gebiet der Ölverbrennung gelingt es ohne Rückführleitung einen weiten Lastbereich ohne
Veränderung des Strahlwinkels bei praktisch gleichbleibender Tropfengröße zu fahren. Das wirkt sich auf die Effektivität der gesamten Heizanlage und die Lebensdauer des Kessels aus, da bei schwankenden Wärmeanforderungen nicht ein häufiges An- und Abfahren des Brenners realisiert werden muß. Auch bei Gas- und Kohlenstaubbrennem kann das erfindungsgemäße Verfahren erfolgreich angewendet werden, vor allem zur Beeinflussung der Flammenform des Brenners.
Bei der Anwendung der Erfindung auf die Treibstoffzerstäubung in Turbinen wird eine Reaktion auf unterschiedliche Betriebsanforderungen möglich. In Flugzeugturbinen ist die Anpassung der Treibstoffzerstäubung wegen unterschiedlichen Lastanforderungen (Startphase, Normalflug) oder wegen unterschiedlichen Verbrennungsbedingungen (Luftdichte und -Zusammensetzung ändern sich in Abhängigkeit von der Höhe) nötig. Dies ist nun bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich. Weitere detaillierte Ausführungen zu der Verfahrensweise und der Ausbildung der Düsen erfolgen im Rahmen der nachfolgenden Ausführungsbeispiele.
In der zugehörigen Zeichnung zeigen
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Düse in räumlicher schematischer Darstellung,
Fig. 2 einen Längsschnitt gemäß der Linie A-A in Fig. 1 ,
Fig. 3 einen Längsschnitt gemäß der Linie B-B in Fig. 1,
Fig. 4 eine Unteransicht der Düse gemäß Fig. 1 ohne Abdeckplatte, Fig. 5 ein Schaltbild zur Aufteilung des Fluidstromes für die in Figur 1 dargestellte Düse, Fig. 6 eine weitere Ausführungsvariante einer Düse als Explosionsdarstellung in zwei verschiedenen Ansichten, Fig. 7 den Drallkörper der Düse gemäß Figur 6,
Fig. 8 einen weiteren Dralikörper für eine Düse gemäß Figur 6, Fig. 9 die Draufsicht auf einen Drallkörper in vergrößerter Darstellung, Fig. 10 einen Schnitt gemäß der Linie A-A ind Figur 9 um 90° gedreht dargestellt, Fig. 11 ein Schaltbild für eine Düse mit zwei tangentialen Zuführungskanälen,
Fig. 12 ein Schaltbild für eine Düse mit vier tangentialen Zuführungskanälen und Fig. 13 ein Schaltbild für eine weitere Ausführungsvariante für eine Düse mit vier tangentialen Zuführungskanälen.
Die in Figur 1 dargestellte Düse besteht aus dem Düsenkörper 1 und der an der Austrittsseite der Düse angeordneten Abdeck- bzw. Düsenplatte 2. In dem Düsenkörper 1 sind oberhalb der Drallkammer 3 zwei Zuführungsleitungen 5a und 5b angeordnet, die in axialer Richtung zueinander beabstandet sind und deren Eintrittsöffnungen um 90° versetzt sind. Die Zufuhrungsleitungen 5a und 5b verlaufen waagerecht beabstandet zur Düsenplatte 2. Die Öffnungen der Zuführungsleitungen 5a und 5b sind über separate Leitungen 8, 9 mit einer zentralen Leitung 10 für die Zuführung des Gesamtfluidstromes FG verbunden (Fig. 5). In die Leitung 10 ist eine Förderpumpe 11 eingebunden. In der von der Leitung 10 abzweigenden Leitung 8, die mit der Zuführungsleitung 5b verbunden ist, ist als Steuerorgan ein Ventil 7 eingebunden. In der vorliegenden Zeichnung wurde auf die Darstellung von Einzelheiten der Befestigung der Leitungen und der Verbindung von Düsenkörper 1 und Abdeckplatte 2 verzichtet, da es sich hierbei um dem Fachmann geläufige Verbindungstechniken handelt. In der Abdeckplatte 2 ist die auf der Mittelachse der Düse liegende Düsenaustrittsöffnung 6 eingearbeitet, die mit der oberhalb der Abdeckplatte 2 befindlichen Drallkammer 3 in Verbindung steht (Figur 2 und 3). Die Drallkammer 3 hat eine konstante Höhe und besitzt einen Durchmesser, der das Fünffache des Durchmessers der Düsenaustrittsöffnung 6 in der Abdeckplatte 2 beträgt. In die Drallkammer 3 münden vier tangentiale Zuführungskanäle 4a, 4b, 4c und 4d, die an der Verbindungsstelle zur Drallkammer 3 jeweils die gleiche Höhe aufweisen. Die jeweils gegenüberliegenden Kanäle 4a und 4c bzw. 4b und 4d sind über vertikal angeordnete Kanäle 4a', 4b', 4c' und 4d' mit den Zuführungsleitungen 5a bzw. 5b verbunden. Die Zuführungs- kanäle 4a und 4c, die an der Verbindungsstelle zur Drallkammer den gleichen Querschnitt aufweisen, sind über die vertikalen Kanäle 4a' und 4c' mit der Zuführungsleitung 5a verbunden. Auf die Definition der "Querschnittfläche" wird im nachfolgenden noch näher eingegangen. Die Zuführungsleitung 5b ist über die vertikalen Kanäle 4b' und 4d' mit den tangentialen Zuführungskanälen 4b und 4d verbunden, die an der Verbindungsstelle zur Drallkammer 3 ebenfalls den gleichen Querschnitt aufweisen. Die Zuführungskanäle 4a bzw. 4c und 4b bzw. 4d unterscheiden sich an der Verbindungsstelle zur Drallkammer 3 in ihrem Querschnitt, die Zuführungskanäle 4a und 4c weisen eine geringere Breite als die Zuführungs- kanäle 4b und 4d auf. Die versetzte radiale Anordnung der einzelnen Zuführungskanäle, bezogen auf ihre Mittelachse, um jeweils 90°, wurde wegen der Einhaltung der Symmetrie der Strömung des Fluids in die Drallkammer 3 so gewählt. Verfahren und Vorrichtung werden bezüglich des Erreichen des Regelbereiches gemeinsam erklärt. Betrachtet wird zunächst der Fall, daß bei veränderlichem Gesamt- durchsatz die Tropfenqualität weitgehend gleichmäßig bleiben soll. Dies ist beispielsweise bei Olbrennern eine Forderung.
Im Vollastfall wird der Gesamtflüssigkeitsdurchsatz FG auf alle tangentialen Zuführungskanäle 4a, 4b, 4c und 4d aufgeteilt durch Bildung der tangentialen Teilströme TM> Tt2, Tt3 und Tt4. Dies geschieht dadurch, daß der Gesamtfluidstrom FG auf zwei Teilströme Ti und T2 aufgeteilt wird, mit denen jeweils die Speiseleitungen 5a und 5b beaufschlagt werden. Der Teilstrom T2, mit dem die tangentialen Zuführungskanäle 4b und 4d beaufschlagt werden, also die tantentialen Teilströme Tt2 und Tt4 (Figur 5), kann durch eine Steuerung des Ventils 7 beeinflußt werden, d.h. der Durchsatz der tangentialen Teilströme Tc und Tt4 kann somit gesteuert werden. Der Flüssigkeitsstrom Ti teilt sich auf die tangentialen Zuführungskanäle Tt1 und Tt3 auf. Im Teillastfall sinkt der Gesamtdurchsatz. Als Gegenmaßnahme wird der Teilstrom T2 in der Teilleitung 8, der über die Zuführungsleitung 5b die tangentialen Zuführungskanäle 4b und 4d versorgt, mittels des Ventils 7 gedrosselt. Damit gelangt ein größerer Durchsatz Tt und Tt3 in die tangentialen Zuführungskanäle 4a und 4c. Die Eintritts- geschwindigkeit in diesen Zuführungskanälen steigt dort trotz sinkendem Gesamtdurchsatz und führt somit zu einer gleichbleibenden Drallbewegung an der Austrittsöffnung 6 der Düse. Die unterste Grenze gleichbleibender Tropfenqualität ist erreicht, wenn der Gesamtdurchsatz nur noch durch die Zuführungskanäle 4a und 4c geleitet wird und die Zuführungskanäle 4b und 4d nicht mehr beaufschlagt werden. Sinkt der Gesamtdurchsatz noch stärker, so ist mit einer Vergrößerung des mittleren Tropfendurchmessers zu rechnen.
Der zweite Fall, der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt werden kann, ist die Steuerung der Tropfengröße bei konstant bleibendem Durchsatz. Die Aufteilung der Teilströme erfolgt analog zum ersten Fall. Soll bei gleichem Durchsatz die Tropfengröße verringert werden, so ist der Teilstrom zu erhöhen, der die Speiseleitung 5a versorgt. Durch eine entsprechende Schaltung ist der Gesamtdurchsatz konstant zu halten. Bei gewünschter größerer Tropfengröße ist entgegengesetzt zu verfahren. 5 In der Figur 6 ist eine weitere Ausführungsvariante einer Düse in Explosionsdarstellung gezeigt, mit drei tangentialen Zuführungskanälen. Zum besseren Verständnis ist die Düse in zwei Ansichten gezeigt, die Ansicht a als senkrechte Anordnung der Düse und die Ansicht b als eine um die Mittelachse geneigte Anordnung. Die Düse besteht aus dem Grund- bzw. Düsenkörper 1, dem Drallkörper
10 12, der Abdeck- bzw. Düsenplatte 2 und der Kappe 13, die auf den Düsenkörper 1 aufgeschraubt wird. Im Vergleich zu der in den Figuren 1 bis 4 dargestellten Düse sind die Zuführungsleitungen 5a und 5b nicht waagerecht sondern senkrecht im Düsenkörper 1 angeordnet. Die Aufteilung der Zuführungsleitungen 5a und 5b auf die vertikalen Kanäle 4a', 4b' und 4d' sowie die tangentialen Zuführungskanäle 4a, 4b und
15 4d, die in die Drallkammer 3 münden, erfolgt in dem Drallkörper 12, der als austauschbarer Einsatz ausgebildet ist. An der Unterseite des Dralikörpers ist eine entsprechende Ausnehmung für die Düsenplatte 2 angeordnet, in der sich die Düsenaustrittsöffnung 6 befindet. Die Leitungszweige 8 und 9, die mit den Zuführungsleitungen 5a und 5b verbunden sind sowie die Leitung 10 für den Gesamtfluidstrom
20 mit der Pumpe 11 und die Anordnung des Steuerventils 7, das in der Leitung 8 eingebunden ist, die mit der Leitung 5b verbunden ist, sind in dieser Figur nicht nochmals dargestellt.
Die Zuführungsleitung 5a geht im Drallkörper 12 in den vertikalen Kanal 4a' über, der in den tangentialen Zuführungskanal 4a mündet. Die Zuführungsleitung 5b geht in dem
25 Drallkörper 12 in zwei vertikale Kanäle 4b' und 4d' über, die jeweils mit einem tangentialen Zuführungskanal 4b bzw. 4d verbunden sind (Figur 7). In den Figuren 7 und 8 sind zwei verschiedene Ausfuhrungsvarianten des Drallkörpers 12 dargestellt, jeweils als Draufsicht a bzw. Unteransicht b. Der Drallkörper 12 gemäß der Figur 7 ist mit dem in Figur 6 gezeigten Drallkörper
30 identisch. Im Unterschied zu diesem ist der Drallkörper 12 gemäß der Figur 8 nur mit zwei tangentialen Zuführungskanälen 4a, 4b ausgerüstet. Die Ansicht a zeigt jeweils die Draufsicht und die Ansicht b die Unteransicht. Bei der in Figur 7 gezeigten Variante wird der durch die Zuführungsleitung 5b strömende Fluidteilstrom Ti auf zwei tangentiale Teilströme Tt2 und Tt4 aufgeteilt und der andere Teilstrom T2 gelangt ohne
35 weitere Aufteilung in den tangentialen Zuführungskanal 4a.
Bei der in Figur 8 gezeigten Variante werden die Teilströme Tt und T2 nicht weiter aufgeteilt und über den jeweiligen zugehörigen tangentialen Zuführungskanal 4a bzw. 4b der Drallkammer 3 zugeführt. Der Vorteil der in der Figur 6 gezeigten Düse besteht vor allem darin, daß durch einen Austausch des Drallkörpers unterschiedliche Verfahrensvarianten realisiert werden können, ohne daß es einen Austausch der gesamten Düse bedarf. Die jeweiligen Düsen können in ihren Details konstruktiv unterschiedlich gestaltet werden. Dies ist insbesondere auch vom jeweiligen Einsatz- bzw. Anwendungsfall der Düsen abhängig. In der Figur 9 ist die Draufsicht auf eine Drallkammer 3 vergrößert dargestellt, in die zwei tangentiale Zuführungskanäle 4a und 4b münden. An der Verbindungsstelle zur Drallkammer 3 weisen die beiden Zuführungskanäle 4a und 4b unterschiedliche Querschnittsflächen auf. Die tangentialen Zuführungskanäle einer Düse besitzen an der Verbindungsstelle zur Drallkammer 3 die gleiche Höhe und können erforderlichenfalls in ihrer Breite unterschiedlich sein, wie in Figur 9 durch die Breitenmaße Bi und B2 verdeutlicht. Das jeweilige Breitenmaß ist der Abstand zwischen zwei auf einer parallelen Linie zur Mittelachse M liegenden Schnittpunkten Si und S2, wobei der Schnittpunkt S der Schnittpunkt zwischen der Mantelfläche der Drallkammer und der zu dieser benachbarten Wandung des tangentialen Zuführungskanals ist und der Schnittpunkt S2 der Schnittpunkt der parallelen Linie mit der gegenüberliegenden Wandung des tangentialen Zuführungskanals. Die Verbindungsstelle der tangentialen Zuführungskanäle zur Drallkammer kann auch als kreisrunder Querschnitt ausgebildet sein, wobei dann verschiedene Querschnittsflächen durch unterschiedliche Durchmesser der jeweiligen Bohrungen an dieser Stelle in analoger Weise erzielt werden. Aus der Figur 9 geht auch deutlich hervor, daß die tangentialen Zuführungskanäle 4a und 4b außerhalb der Verbindungsstelle zur Drallkammer unterschiedlich ausgeführt sein können, z.B. einen konstanten Kanalquerschnitt aufweisen oder der Kanalquerschnitt sich in Richtung zur Drallkammer verjüngt. Bei zwei tangentialen Zuführungskanälen einer Düse, wie in den Figuren 9 und 10 dargestellt, ist es unbedingt notwendig, daß diese Kanäle an den Verbindungsstellen zur Drallkammer unterschiedliche Querschnittsflächen aufweisen. Bei mehr als zwei tangentialen Zuführungskanälen können diese die gleiche Querschnittsfläche an der Verbindungsstelle zur Drallkammer aufweisen, wesentlich ist dann nur, daß sich die Summen der betreffenden Querschnittsflächen, die den jeweiligen Teilströmen Ti und T2 oder den dazugehörigen Kanälen zugeordnet sind, unterscheiden.
Ein weiteres wesentliches konstruktives Merkmal ist das Verhältnis des Durchmesser Di der Düsenaustrittsöffnung zum Durchmesser D2 der Drallkammer, wobei das Verhältnis D2 : Di in einem Bereich von 2 bis 12 liegen sollte. Bei einer Ausführung einer Düse mit mehreren tangentialen Zuführungskanälen ist es zweckmäßig, wenn diese gleichmäßig über den Umfang bzw. die innere Mantelfläche der Drallkammer verteilt werden. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Drallkammer und die Querschitte der tangentialen Zuführungskanäle an der Verbindungsstelle zur Drallkammer nach einem bestimmten Verhältnis dimensioniert werden, und zwar wie folgt:
2 B
< 0,5
D2 - Dι
wobei B entweder die Breite oder der Durchmesser des Kanals an der Verbindungsstelle zur Drallkammer bedeuten und D bzw. D2 die Durchmesser der Austrittsdüse bzw. der Drallkammer sind, wie vorstehend erläutert. Die Drallkammer weist in an sich bekannter Weise in ihrer Höhe ein geringeres Maß auf als der Durchmesser.
Je größer das Verhältnis von Drallkammerdurchmesser zu Düsenaustrittsdurchmesser (D2 : Di) ist, desto besser kann sich ein Potentialwirbel bilden und sich am Düsentaustritt eine hohe Umfangsgeschwindigkeit einstellen, die die Voraussetzung für eine gute Zerstäubung des Fluids ist. Bei einem großen Drallkammerdurchmesser können die Geschwindigkeiten am inneren Drallkammermantel auch geringer sein als bei kleineren Drallkammerdurchmessern, da sich wegen des größeren radialen Abstandes bis zur Düsenaustrittsöffnung höhere Umfangsgeschwindigkeiten bilden. Daher können bei größeren Drallkammerdurchmessern die Querschnittsflächen der Zuführungskanäle größer ausgeführt werden. Die Fertigung der tangentialen Zuführungskanäle wird dadurch einfacher und die Verstopfungsgefahr sinkt. Bei zu großem Verhältnis von Drallkammerdurchmesser zu Düsenaustrittsdurchmesser kommt es jedoch wegen der Wandreibung zu einer Abnahme der Umfangsgeschwindigkeit. In den Figuren 11 bis 13 sind verschiedene Schaltungsanordnungen für unterschied- liehe Ausführungsvarianten der Düsen dargestellt. Für alle gezeigten Schaltungsvarianten, auch die gemäß Figur 5, gilt, daß der Stelleingriff in den Durchsatz des Fluidstromes außerhalb der Düse entweder über ein Ventil oder separate Pumpen vorgenommen wird. Als Steuerung bzw. Steuerorgan werden alle Eingriffsmöglichkeiten verstanden, die sich auf den Durchsatz des Fluidstromes auswirken, wie z.B. Drosselung durch Ventile, Beeinflussung der Pumpenkennlinie einer Pumpe durch Drehzahländerung der Pumpe oder dgl.. Die weitere Aufteilung des Gesamtfluid- stromes FG auf weitere Teilströme Ti, T2 usw. kann entweder innerhalb oder außerhalb der Düse vorweggenommen werden. Die Zuführung der Teilströme Ttt bis Tt in die Drallkammer erfolgt stets tangential. Bei der in Figur 10 gezeigten Ausführung wird der von einer Pumpe 11 geförderte Gesamtfluidstrom FG in zwei Teilströme Ti und T2 aufgeteilt, und über je einen tangentialen Zuführungskanal Tt1 und T^, die an der Verbindungsstelle zur Drallkammer 3 der Düse 14 unterschiedliche Querschnittsflächen aufweisen, der Drallkammer zugeführt. In die Leitung für den Teilstrom T2, der mit dem tangentialen 10
Zuführungskanal mit der größeren Querschnittsfläche an der Verbindungsstelle zur Drallkammer verbunden ist, ist ein Ventil 7 eingebunden. Durch eine entsprechende Drosselung des Teilstromes T2 wird gleichzeitig der tangentiale Teilstrom Ta verändert und somit die Umfangsgeschwindigkeit des Fluides in der Drallkammer und dadurch das Tropfenspektrum beim Austritt des Fluids aus der Düse beeinflußt.
Diese Basisvariante verursacht herstellungstechnisch den geringsten Aufwand. Es wird der Fall mit konstantem Flüssigkeitsdurchsatz diskutiert. Die Flüssigkeit wird über eine Leitung zugeführt und durch eine Verzweigung werden zwei Teilströme gebildet. Der eine Teilstrom ist in seiner Größe durch ein Ventil begrenzbar. Er wird nach dem Ventil dem ZufUhrungskanal mit der größeren Querschnittsfläche zugeführt. Die beiden Grenzfälle sind gegeben, wenn das Ventil voll geöffnet bzw. geschlossen ist. Bei voll geöffnetem Ventil verteilt sich der Flüssigkeitsdurchsatz auf beide Zuführungskanäle. Die Umfangsgeschwindigkeit an der inneren Mantelfläche der Drallkammer hat ihren geringsten Wert und damit ist auch die Umfangsgeschwindig- keit am Düsenaustritt am geringsten. Den größten Wert nimmt die Umfangsgeschwindigkeit am Düsenaustritt an, wenn das Ventil geschlossen ist. Das Verhältnis der kleinsten Querschnittsfläche zur gesamten Querschnittsfläche beider Zuführungskanäle bestimmt das Verhältnis von Teillast zu Vollast, das erreichbar ist und bei dem sich die Zerstäubungseigenschaften im wesentlichen nicht ändern. Die in Figur 11 gezeigte Schaltungsvariante entspricht der in Figur 6 gezeigten Düse mit einem Drallkörper 12 gemäß der Figur 8.
Die in Figur 12 dargestellte Schaltungsvariante unterscheidet sich von der in Figur 11 gezeigten Schaltungsvariante lediglich dadurch, daß der Teilstrom T2 nicht auf einen tangentialen Teilstrom sondern auf drei tangentiale Teilströme T^, Tt3 und Tt4 aufgeteilt wird, deren Summe aus den Querschnittsflächen der tangentialen Zuführungskanäle an der Verbindungsstelle größer ist als die analoge Querschnittsfläche für den tangentialen Teilstrom Tt1.
Wird bei einer Schaltungsvariante gemäß der Figur 11 die größere Querschnittsfläche sehr groß im Verhältnis zu der kleineren Querschnittsfläche ausgeführt, so besteht die Gefahr, daß es zu Unsymmetrien der Strömung des Fluides in der Drallkammer kommen kann. Zur Vermeidung dieses Nachteils wird die in Figur 12 dargestellte Variante vorgeschlagen. Diese ermöglicht Zuführungskanäle anzusteuern, die über die innere Mantelfläche der Drallkammer angeordnet sind und so zu einer symmetrischen Strömung führen. Die Summe der Querschnittsflächen dieser tangentialen Zuführungskanäle ist an der Verbindungsstelle größer als die des verbleibenden Zuführungskanals, der von dem Teilstrom gespeist wird, der nicht über das Ventil direkt beeinflußt wird. 11
Bei der in Figur 13 gezeigten Schaltungsvariante ist die Ausgestaltung der Düse analog wie bei der Ausführung gemäß Figur 12. Der Unterschied besteht darin, daß keine Abzweigung von einem Gesamtfluidstrom erfolgt, sondern zwei separate Teilströme T und T2 unabhängig voneinander über in die Leitungen eingebundene Exzenterschneckenpumpen 11, 11' beeinflußt werden, und zwar durch eine
Drehzahländerung der Pumpen. Bei der Förderung von Suspensionen ist gelegentlich die Versperrung durch Leitungsquerschnitte, wie bei Ventilen oder Hähnen üblich, zu vermeiden, da es sonst zu Verstopfungen kommen kann. Es muß daher eine Variante zur Anwendung kommen, bei der die Beeinflussung von Teilströmen auf eine andere Art vorgenommen werden kann. Dies kann durch Verdrängerpumpen geschehen, die in ihrer Fördercharakteristik verändert werden. Gemäß dieser Variante werden in jedem Teilstrom Exzenterschneckenpumpen 11, 11' verwendet, deren Durchsatz über eine Drehzahländerung angepaßt wird. Die vorliegende Erfindung kann auch in solchen Fällen angewendet werden, wo es erforderlich ist, bei unterschiedlichen Durchsätzen den Strahlwinkel des aus der Düse austretenden Fluides konstant zu halten, also Einfluß auf die Steuerung des Strahlwinkels zu nehmen. Bei herkömmlichen Dralldüsen wird mit steigendem Durchsatz ein größerer Strahlwinkel erreicht. Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist bei konstantem Verhältnis der Teilströme ebenfalls eine Vergrößerung des Strahlwinkels mit steigendem Gesamtdurchsatz zu verzeichnen. Bei Verwendung der Schaltungsvariante gemäß Figur 11 ergibt sich folgende Situation. Bei vorgegebenen Förderdruck kann man den Gesamtdurchsatz vergrößern, indem das Ventil geöffnet wird. Der Strahlwinkel steigt dadurch leicht an. Senkt man also den Förderdruck ab, wenn das Ventil geschlossen ist, so erreicht man einen konstanten Strahlwinkel.

Claims

12
Patentansprüche
1. Verfahren zum Verändern der Drallbewegung eines Fluids in der Drallkammer (3) einer Düse, wobei die Drallbewegung nicht an den Gesamtdurchsatz des
Fluidstromes gekoppelt ist und der Gesamtfluidstrom (FG) in mehrere Teilströme (Ti, T2) aufgeteilt wird, die über tangentiale Zuführungskanäle (4a, 4b, 4c, 4d) der Drallkammer (3) zugeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilströme (Ti, T2) auf Zuführungskanäle (4a, 4b, 4c, 4d) aufgeteilt werden, die sich in ihren Querschnittsflächen an der Verbindungsstelle zur Drallkammer (3) unterscheiden, wobei bei einer Aufteilung der Teilströme (Ti, T2) auf mehr als zwei tangentiale Zuführungskanäle ( 4a, 4b ,4c, 4d) die Querschnittsflächen aus der Summe der Querschnittsflächen der Zuführungskanäle (4a, 4c oder 4b, 4d), die von dem jeweiligen Teilstrom (T1s T2) abzweigen, gebildet werden, und sich demzufolge die Summen der Querschnittsflächen an der Verbindungsstelle (S , S2) zur
Drallkammer (3) der jeweiligen Teilströme (Ti, T2) unterscheiden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehr als zwei Zuführungskanälen (4a, 4b, 4c, 4d) die tangentialen Teilströme (Ttι, T^, T 3, Tt ) durch an der Verbindungsstelle zur Drallkammer (3) in ihrer Größe identische und/oder unterschiedliche Querschnittsflächen in die Drallkammer (3) eingeleitet werden.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufteilung der Teilströme (Ti, T2) auf die tangentialen Zuführungskanäle (4a, 4b, 4c,
4d) so vorgenommen wird, daß bei geforderter höherer Drallstärke am Austritt aus der Drallkammer (3) die tangentialen Zuführungskanäle mit der kleineren Querschnittsfläche oder Summe der Querschnittsflächen an der Verbindungsstelle (Si, S2) zur Drallkammer (3) mit dem größeren Teilstrom (T2) oder dem Gesamtfluidstrom (FG) beaufschlagt werden und umgekehrt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Veränderung des Gesamtfluidstromes (FG) im Sinne einer Vollast-Teillast- Fahrweise und dem Ziel einer Aufrechterhaltung der Drallstärke am Austritt aus der Drallkammer (3) bei einem gewünschten Verhältnis von Vollast/Teillast des
Fluidstromes die Aufteilung der tangentialen Teilströme (Tu, Tt2, Tt3, Tt4) in der Weise vorgenommen wird, daß das Verhältnis der Summe der Querschnittsflächen der beaufschlagten Zuführungskanäle bei Vollast zur Summe der Querschnitts- 13
flächen der beaufschlagten tangentialen Zuführungskanäle bei Teillast mindestens dem Volumenstromverhältnis von Vollast zu Teillast entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtfluidstrom (FG) in zwei Teilströme (Ti, T2) aufgeteilt wird, die über je einen Zuführungskanal (4a, 4b) tangential in die Drallkammer (3) eingeleitet werden, wobei der Teilstrom, der mit der größeren Querschnittsfläche an der Verbindungsstelle (Si, S2) zur Drallkammer (3) verbunden ist, mittels eines Steuerorgans (7) geregelt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtfluidstrom (FG) auf mehr als zwei tangential in die Drallkammer (3) eingeleitete Teilströme (Tt1, T^An, Tt4) aufgeteilt wird, wobei mindestens zwei tangentiale Teilströme (Tt2,Tt3, Tt4) von einem Teilstrom (T2) abgezweigt werden, und der Teilstrom (T2 ), dessen tangentiale Zuführungskanäle (4b, 4c, 4d) an der
Verbindungsstelle (Si, S2) zur Drallkammer (3) in der Summe der Querschnittsflächen den größten Wert ergeben, mittels eines Steuerorgans (7, 11, 11') geregelt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuerorgane eine Pumpe (11, 11') und/oder ein Ventil (7) eingesetzt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilströme (T,, T2.) unabhängig voneinander durch Förderstromänderung der jeweiligen Pumpe (11, 11') geregelt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei separate Teilströme (Ti, T2) den Gesamtfluidstrom (FG) bilden, wobei jeder dieser Teilströme (Ti, T2) durch eine Pumpe (11, 11') geregelt wird und mindestens ein Teilstrom (T2) auf mehrere tangentiale Zuführungskanäle (4b, 4c, 4d) zur Bildung der entsprechenden Teilströme (Tt2,Tt3, Tt4) aufgeteilt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß durch unterschiedliche Regelung mindestens einer der Teilströme (Ti, T2) und die Aufteilung der Teilströme (T1( T2) auf die tangentialen Zuführungskanäle (4a, 4b, 4c,
4d) auf das Teilungsverhältnis der Teilströme (Ti, T2) stufenlos Einfluß genommen wird, derart, daß die Drallbewegung in der Drallkammer (3) gesteuert wird und dadurch die Tropfengröße des aus der Düsenaustrittsöffnung (6) austretenden 14
Fluids vergrößert oder verkleinert wird oder bei Veränderungen der stofflichen Parameter des Fluids konstant gehalten wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die tangentialen Teilströme (Tt1, Tt2, Tt3, Tt4) auf der gleichen axialen Koordinate liegend der Drallkammer (3) zugeführt werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die tangentialen Teilströme (Tt1, T^, Tt3, Tt4) gleichmäßig über die innere Mantelfläche der Drallkammer (3) verteilt in diese eingeleitet werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Einfluß auf den Durchsatz der Teilströme (T,, T2) außerhalb der Düse (3) vorgenommen wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufteilung der Teilströme (Ti, T2) zur Bildung der tangentialen Teilströme (Ttι, Tu, Tt3, Tt4) innerhalb oder außerhalb der Düse (3) vorgenommen wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß bei größer werdendem Gesamtdurchsatz der Strahlwinkel des zerstäubten Fluids aufrechterhalten wird, indem der Gesamtfluiddruck reduziert und der Teilstrom (T2), er auf die tangentialen Zuführungskanäle (4a, 4b, 4c, 4d) mit der größten Querschnittsfläche oder Summe der Querschnittsflächen an der Verbindungsstelle (Si, S2) zur Drallkammer (3) aufgeteilt wird, gegenüber dem anderen Teilstrom (Ti) vergrößert wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß bei konstantem Gesamtdurchsatz der Strahlwinkel des zerstäubten Fluids vergrößert wird, indem der Gesamtfluiddruck erhöht und der Teilstrom (T2), der auf die tangentialen Zuführungskanäle (4a, 4b, 4c, 4d) mit der größten Querschnittsfläche oder Summe der Querschnittsflächen an der Verbindungsstelle (S1t S2) zur Drallkammer (3) aufgeteilt wird, gegenüber dem anderen Teilstrom (Ti) verringert wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß dieses zur Zerstäubung von Flüssigkeiten mit Hilfe von Gasen eingesetzt wird, wobei die Flüssigkeit oder das Gas oder beide, entweder einzeln oder als Gemisch, 15
vor dem Austritt aus der Düse einer veränderbaren Drallbewegung ausgesetzt werden.
18. Drallerzeuger für Düsen, in denen Fluide in Rotation um eine Achse versetzt werden, umfassend eine Drallkammer (3) mit mehreren tangentialen
Zuführungskanälen (4a, 4b, 4c, 4d) an der Peripherie der Drallkammer (3) sowie eine Austrittsöffnung (6), dadurch gekennzeichnet, daß
a) bei einer Anordnung von zwei Zuführungskanälen (4a, 4c) diese an der Verbindungsstelle (Si, S2) zur Drallkammer (3) eine unterschiedliche
Querschnittsfläche aufweisen und b) bei einer Anordnung von mehr als zwei tangentialen Zuführungskanälen (4a, 4b, 4c, 4d) diese an der Verbindungsstelle (Si, S2) zur Drallkammer (3) unterschiedliche und/oder gleiche Querschnittsflächen aufweisen, und einzelne tangentiale Zuführungskanäle (4a, 4c, 4b, 4d) mit getrennten
Zuführungsleitungen (8, 9) verbunden sind, wobei die Summe der Querschnittsflächen der tangentialen Zuführungskanäle (4a, 4b, 4c, 4d) an der Verbindungsstelle (S-i, S2) zur Drallkammer (3), die mit verschiedenen Zuführungsleitungen (8 oder 9) verbunden sind, unterschiedlich ist.
19. Drallerzeuger nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die tangentialen Zuführungskanäle (4a, 4b, 4c, 4d) an der Verbindungsstelle (Si, S2) zur Drallkammer (3) die gleiche Höhe sowie eine gleiche oder unterschiedliche Breite (Bi, B2) aufweisen.
20. Drallerzeuger nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß sich die unterschiedlichen Querschnittsflächen oder die gebildeten Summen der Querschnittsflächen um mehr als das Vierfache unterscheiden.
21. Drallerzeuger nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die tangentialen Zuführungskanäle (4a, 4b, 4c, 4d) mit gleichen Querschnittsflächen an der Verbindungsstelle (Si, S2) zur Drallkammer (3) mit einer gemeinsamen ZufUhrungsleitung (8 oder 9) verbunden sind.
22. Drallerzeuger nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens eine der Zuführungsleitungen (8 oder 9) ein stufenlos einstellbares Steuerorgan (7, 11 , 11') eingebunden ist. 16
23. Drallerzeuger nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerorgan eine Pumpe (11 , 11') oder ein Ventil (7) ist.
24. Drallerzeuger nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß 5 das Ventil (7) in die Zuführungsleitung (8 oder 9), die mit den tangentialen
ZufUhrungskanälen (4a, 4b, 4c, 4d) mit der größeren Querschnittsfläche oder Summe der Querschnittsflächen an der Verbindungsstelle (Si, S2) zur Drallkammer (3) verbunden ist, eingebunden ist.
10 25. Drallerzeuger nach einem der Ansprüche 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelachsen der Querschnittsflächen der tangentialen Zuführungskanäle (4a, 4b, 4c, 4d) an der Verbindungsstelle zur Drallkammer ( 3) in einer Ebene liegen und die Querschnittsflächen gleichmäßig verteilt angeordnet sind.
15 26. Drallerzeuger nach einem der Ansprüche 18 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die tangentialen Zuführungskanäle (4a, 4b, 4c, 4d) auf der gleichen axialen Koordinate liegend angeordnet sind.
27. Drallerzeuger nach einem der Ansprüche 18 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß 20 in die Zuführungsleitung (10) für den Gesamtfluidstrom (FG) eine Pumpe (11 ) eingebunden ist und die Zuführungsleitung (10) in zwei Teilstromleitungen (8, 9) aufgeteilt ist, die mit in der Düse (14) befindlichen getrennten Kanälen (5a, 5b, 4a', 4b', 4c', 4d') verbunden sind, die mit je einem tangentialen Zuführungskanal (4a, 4b, 4c, 4d) in Verbindung stehen, die an der Verbindungsstelle (Si, S2) zur 25 Drallkammer (3) unterschiedliche Querschnittsflächen aufweisen, und in die
Zuführungsleitung (8), die mit dem tangentialen ZufUhrungskanal (4a) mit der größeren Querschnittsfläche an der Verbindungsstelle (Si, S2) zur Drallkammer (3) verbunden ist, das Ventil (7) eingebunden ist.
30 28. Drallerzeuger nach einem der Ansprüche 18 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß in die Zuführungsleitung (10) für den Gesamtfluidstrom (FG) eine Pumpe (7) eingebunden ist und die Zuführungsleitung (10) in zwei Teilstromleitungen (8, 9) aufgeteilt ist, die mit in der Düse (14) befindlichen getrennten Kanälen (5a, 5b, 4a', 4b', 4c', 4d') verbunden sind, wobei der eine Kanal (5a) mit einem tangentialen
35 Zuführungskanal (4a) und der andere Kanal (5b) mit mehreren tangentialen
Zuführungskanälen (4b, 4c, 4d) in Verbindung steht, und in die Teilstromleitung (8), die mit mehreren tangentialen Zuführungskanälen verbunden ist, das Ventil eingebunden ist. 17
29. Drallerzeuger nach einem der Ansprüche 18 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (14) mit zwei getrennten Zuführungsleitungen (8, 9) in die jeweils eine Pumpe (11, 11') eingebunden ist, verbunden ist, wobei eine Zuführungsleitung (9)
5 mit einem tangentialen Zuführungskanal (4a) und die andere Zuführungsleitung (8) mit mehreren tangentialen Zuführungskanälen (4b, 4c, 4d) in Verbindung stehen.
30. Drallerzeuger nach einem der Ansprüche 18 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß der Quotient zwischen dem Durchmesser (D2) der Drallkammer (3) und dem
10 Durchmesser (Di) der Düsenaustrittsöffnung (6) der Drallkammer (3) in einem
Bereich von 2 bis 12 liegt.
31. Drallerzeuger nach einem der Ansprüche 18 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der doppelten Breite oder des doppelten Durchmessers der
15 Eintrittsöffnung des jeweiligen tangentialen Zuführungskanals (4a, 4b, 4c,4d) an der Verbindungsstelle (Si, S2) zur Drallkammer (3) dividiert durch die Differenz zwischen dem Drallkammerdurchmesser (D2) und dem Düsenaustrittsdurchmesser (Di) kleiner als 0,5 ist.
20 32. Drallerzeuger nach einem der Ansprüche 18 bis 31 , dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungsleitungen (8, 9, 5a, 5b) unterschiedliche Anschlußquerschnitte aufweisen, derart, daß die Zufuhrungsleitungen, die mit den tangentialen Zuführungskanälen in Verbindung stehen, deren Querschnittsfläche oder Summe der Querschnittsfächen an der Verbindungsstelle (Si, S2) zur Drallkammer (3) am
25 größten ist, den größeren Anschlußquerschnitt besitzen.
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