EP2558217A1 - Aussen mischende mehrstoffdüse - Google Patents

Aussen mischende mehrstoffdüse

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EP2558217A1
EP2558217A1 EP11717209A EP11717209A EP2558217A1 EP 2558217 A1 EP2558217 A1 EP 2558217A1 EP 11717209 A EP11717209 A EP 11717209A EP 11717209 A EP11717209 A EP 11717209A EP 2558217 A1 EP2558217 A1 EP 2558217A1
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EP
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annular gap
nozzle
fluid
manifold
outlet opening
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Stefan Hartig
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    • B05B7/0807—Spray pistols; Apparatus for discharge with separate outlet orifices, e.g. to form parallel jets, i.e. the axis of the jets being parallel, to form intersecting jets, i.e. the axis of the jets converging but not necessarily intersecting at a point to form intersecting jets
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    • B05B7/02—Spray pistols; Apparatus for discharge
    • B05B7/10—Spray pistols; Apparatus for discharge producing a swirling discharge

Definitions

  • the invention relates to an externally mixing Mehrstoffdüse for spraying fluids with the aid of a relative to the fluids to be sprayed hot atomizing gas, in particular steam or hot gas.
  • the task is to mix a secondary fluid, in particular water, as homogeneously as possible in the primary fluid and often to evaporate by the shortest route.
  • a secondary fluid in particular water
  • two-fluid nozzles are often used.
  • the liquid is atomized by means of a gaseous or vaporous auxiliary.
  • These two-fluid nozzles are characterized by a particularly fine droplet spectrum and by a very good partial load behavior.
  • water vapor is available. Then, for cost reasons, it may make sense to Use steam as a sputtering aid, because the provision of a corresponding amount of compressed air would be associated with high investment and operating costs.
  • Two types of nozzles are available for atomizing with two-component nozzles, namely nozzles mixing on the inside and nozzles mixing on the outside. Examples of internally mixing and externally mixing nozzles are shown in Nasr, Jule and Bendig, Industrial Sprays and Atomization, Springer-Verlag, 2002, for example on page 24.
  • US Pat. No. 3,770,207 discloses a spray-drying nozzle in which an atomizing gas is divided into two concentric annular gaps. Between the two annular gaps for the atomizing gas, an annular gap for the solution to be dried is arranged. The innermost annular gap for the atomizing gas is formed by inserting a cone piece into the central outlet opening.
  • German patent application DE 195 26 404 A1 discloses a two-fluid nozzle for atomizing pasty or solids-containing fluids, such as mud, described in which the fluid to be atomized fed through a central, cylindrical channel and at the end of this channel by annularly arranged individual nozzles the atomizing gas the fluid to be atomized is injected.
  • an externally mixing multicomponent nozzle for spraying fluids with the aid of a sputtering gas, in particular steam or hot gas, which has a housing, wherein the housing has an outlet opening for the sputtering gas, a first annular gap surrounding the outlet opening for fluid to be sprayed and a second annular gap for the atomizing gas surrounding the first annular gap and a distributor piece, the distributor piece having at least one flow channel for fluid to be sprayed from a connecting line to the first annular gap and at least one flow channel from a Zerstäubungsgasan gleichtechnisch to the outlet opening for atomizing gas ,
  • the provision of such a distributor piece within the nozzle housing ensures that the fluid to be sprayed and atomizing gas are conducted over a short path to the first annular gap or the outlet opening and the second annular gap.
  • Alone by the provision of the manifold and the consequent short distances only a small heat transfer is achieved by spraying fluid to the atomizing gas.
  • the manifold is made of solid material and the flow channels are provided within the solid material.
  • the housing has an annular channel for atomizing gas, which surrounds the distributor piece at least in sections.
  • the sputtering gas from the annular channel can be guided in the second annular gap on a short path and, since advantageously the flow channel of the distributor piece for the sputtering gas emanating from the annular channel, the sputtering gas can be conducted over a short path to the outlet opening.
  • the present invention proposes a novel nozzle concept in which the atomizing gas within a small distributor integrated into the nozzle housing is brought about a central atomization gas flow through the outlet opening as well as to an outer annular gap flow.
  • the fluid to be atomized is also allocated to an annular gap which is arranged between the central flow and the outer annular gap flow of the atomizing gas.
  • This distributor or the flow channels in the distributor are dimensioned such that it is passed by both the fluid to be atomized and the sputtering gas at a relatively high speed, so that there is hardly any time for the heat transfer.
  • the surfaces leading to the heat transfer between atomizing gas and fluid are very small and the distances between the individual flow channels, which guide the cold fluid or the hot atomizing gas, are dimensioned as large as possible.
  • the internal heat transfer from the hot atomizing gas, particularly water vapor, to the fluid being atomized is minimized or limited to an advantageous value.
  • a certain preheating of the liquid can be quite advantageous, because hereby, in the interest of a good atomization, the surface tension and the toughness of the fluid to be atomized can be reduced.
  • the invention is not exclusively concerned with the atomization quality, as can be determined in the laboratory under ideal boundary conditions on a virgin nozzle. Rather, it has to be taken into account that the atomization quality in industrial practice occasionally leads to the formation of deposits inside the nozzles or at the nozzles. Mouth suffers. This is especially true when hot water is used as the fluid to be atomized. Even if suspended solids are largely eliminated by filtration, deposit formation in the nozzle or at the nozzle mouth can often be detected by the precipitation of dissolved solids. This is especially true in those cases where a hot sputtering gas is used, which then causes the walls to heat up in contact with the service water. Limiting the heat transfer within the nozzle according to the invention can thereby also solve the problem of deposit formation in the nozzle.
  • a thermal insulation is at least partially provided between the flow channel for fluid to be atomized in the manifold and the manifold.
  • the flow channel for fluid to be atomized in the distributor piece is formed at least in sections by means of a tube inserted into the distributor piece.
  • an air gap is provided at least in sections between the tube and the distributor piece.
  • An air gap insulation leads to a further, significant reduction in the heat transfer from the cold to be sprayed fluid on the manifold.
  • the connecting line for the fluid to be atomized is designed to be double-walled at least in the connection area to the distributor piece.
  • a thermal insulation layer is provided between the first annular gap and the housing and between the first annular gap and the second annular gap.
  • the outlet opening for the atomizing gas has the shape of a third annular gap.
  • the fluid to be atomized is thereby absorbed between two annular gap flows of the hot atomizing gas, so that a very good atomizing effect is achieved.
  • the third annular gap can be formed for example by inserting a cone piece in the outlet opening.
  • the boundary of the first annular gap in the flow direction is arranged in front of an outer boundary of the second annular gap.
  • the fluid to be atomized emerges from the first annular gap and comes into contact with the sputtering gas from the second annular gap, even before the sputtering gas has left the nozzle orifice at the end of the second annular gap.
  • the atomizing gas from the second annular gap can not yet escape laterally so that the fluid to be atomized is accelerated by the flanking gas streams before it leaves the nozzle orifice. In this way, a finer atomization of the fluid to be sprayed can be achieved.
  • the boundary of the first annular gap is arranged by one to ten times the width of the first annular gap in the flow direction before the outer boundary of the second annular gap.
  • a section of the flow channel for the hot atomizing gas located immediately upstream of the outlet opening is formed in the housing in such a way that it initially tapers in the flow direction and, after passing through a constriction, widens again up to the outlet opening.
  • an outlet nozzle for the atomizing gas can be formed convergent / divergent.
  • this Tailored nozzle can be formed as a Laval nozzle, so that the hot atomizing gas then exits the outlet opening at supersonic speed.
  • FIG. 1 shows an inventive external mixing multi-component nozzle in a sectional view according to a first preferred embodiment
  • FIG. 2 is an enlarged detail of the multi-component nozzle of FIG. 1,
  • FIG. 3 shows a multi-fluid nozzle according to the invention according to a second preferred embodiment
  • FIG. 4 shows a detail of a multi-substance nozzle according to the invention according to a third embodiment.
  • FIG. 1 shows a multi-component nozzle 1 according to the invention according to the invention.
  • the task of preventing premature Entthalpielexice the sputtering gas by heat transfer to the liquid to be sputtered and to prevent the formation of deposits in the nozzle by temperature-dependent precipitation of dissolved at low temperature ingredients of the liquids solved in the following manner:
  • the via the steam supply of the multi-component nozzle 1 supplied steam stream 10 is divided into two sub-streams in a novel, small-sized manifold piece 18, which can thus be integrated into the nozzle 1.
  • An outer partial flow 30 and a central one are produced Partial stream 28 of steam or hot atomizing gas.
  • the outer partial flow 30 is blown through an outer annular gap 29, while the central partial flow 28 via a central nozzle 62, which ends at an outlet opening 60, is blown out.
  • an annular gap nozzle 20 for ejecting the fluid to be sprayed, especially to be atomized water is arranged.
  • the approach of atomizing the liquid via a central stream and an outer annular gap stream of the atomization aid facilitates the atomization.
  • Essential to the invention is the design of the manifold 18 for distributing fluid to be sprayed and hot atomizing gas to the individual outlet openings of the nozzle first
  • a characteristic feature of the nozzle 1 is that the fluid to be atomized is not ejected via a central nozzle but via an annular gap.
  • This annular gap can be made relatively large, because here a high exit velocity of the liquid is not required.
  • the atomization is carried out according to the invention in that the liquid film is introduced between two high-speed Zerstäubungsgas- flows. As a result of the shear stress effect of these high-velocity flows, the liquid film is drawn out of the annular gap into a thin liquid lamella, which breaks up into small drops.
  • the risk of material removal at the annular gap walls of the liquid nozzle, namely at the annular gap 21 greatly reduced and the long-term stability of the flow characteristics of such a nozzle is so far no problem.
  • Such a nozzle but also has a very good partial load behavior, in contrast to Single-fluid nozzles according to the prior art with swirl generator in the liquid guide.
  • the central nozzle 62 for hot atomizing gas with the outlet opening 60 is shown in FIG. 1 in the flow direction as a convergent-divergent Nozzle executed.
  • this configuration operates as a Laval nozzle and the steam then exits the center nozzle 62 at the exit port 60 at supersonic velocity.
  • the nozzle 1 has no end surface flushed with service water. This is achieved by the very narrow edges of the annular gap 21. Thus, the problem of stalactite-like deposits does not occur here, as can be observed with end faces of nozzles according to the prior art.
  • Essential features of the nozzle 1 according to the invention relate to the thermal decoupling of the hot atomizing gas, especially steam, from the cold water at the nozzle connection and inside the nozzle.
  • the supply line 4 for the water 5 is double-walled.
  • Another interesting possibility is to use at least for the manifold 18 a material with low thermal conductivity, on the other hand for the predetermined operating temperature of e.g. 300 ° C is suitable.
  • the predetermined operating temperature e.g. 300 ° C is suitable.
  • Fig. 1 and Fig. 2 as an enlarged detail of Fig. 1 show the nozzle 1 in a sectional view.
  • the nozzle 1 is intended to be disposed within a channel 3 carrying a primary fluid, such as flue gas, into which a fluid to be atomized is to be injected.
  • the channel 3 is shown only schematically by one of its terminations. The nozzle 1 is thus within the flow of the primary fluid in the channel 3.
  • the liquid to be atomized 5 is supplied via a connecting line 4 via a central port 17 of the nozzle housing 2 to the manifold 18 of the nozzle 1.
  • the atomizing gas e.g. Superheated steam 10
  • the atomizing gas is first fed via a pipe 1 1, which leads out like the connecting line 4 from the channel 3, an annulus 23 in the nozzle housing 2.
  • a pipe 1 1 which leads out like the connecting line 4 from the channel 3, an annulus 23 in the nozzle housing 2.
  • From this annular space 23 from the sputtering gas passes via at least one cutout 24 and at least one bore 25 in the manifold 18 in a central space 26 in the manifold 18.
  • the bore 25 is dimensioned so that a defined division of the superheated steam 10 takes place in two partial streams, namely once via the bore 25 to the outlet opening 60 of the central nozzle 62 and once over the annular space of the annular nozzle 31 to the annular gap 29 at the nozzle mouth.
  • the central nozzle piece 27 is screwed into the manifold 18 and forms the central nozzle 62 for the central steam jet 28.
  • a flow path of the central nozzle 62 then passes to the central space 26 in the manifold 18 initially convergent in a first, conically tapered portion , This first conically tapering section is followed by a cylindrical section forming a constriction. This is then followed by a conically widening section to the outlet opening 60.
  • the central nozzle 62 is initially convergent and then divergent and the cross-sectional dimensions of the central nozzle 62 are for dividing the vapor stream 10 onto the central nozzle 62 and onto the outer annular gap nozzle 31 with responsible.
  • the outer vapor stream also called annular gap steam stream 30, is first fed via the cutout 24 to the annular space of the annular gap nozzle 31 and passes from here into the outer annular gap 29.
  • the steam thus emerges both as a central steam jet 28 from the central nozzle 62, as well as from the outer annular gap 29th
  • the outer annular gap 29 is formed between an outer hood 49 and the intermediate hood 34. From the outer annular gap 29 and out of the outlet opening 60, the steam exits at high speed up to high supersonic speeds, as illustrated in FIG. 2 by arrows 32, 33. Due to the interaction between the annular liquid jet emerging from the first annular gap 21, and the flanking steam jets according to the arrows 32 and 33, a droplet spray with the boundary 22, as shown in dashed lines in Fig. 1 is formed.
  • the connecting line 4 is formed double-walled for the fluid 5, in which an inner tube 37 is provided until it is connected to the manifold 18.
  • the connecting line 4 is thus double-walled and provided with a thermally insulating air gap 44.
  • the connecting lead can also be made with a graphite bush to achieve thermal insulation.
  • the flow channel in the at least one bore 19 in the manifold 18 for the supply of water to the annular space of the annular nozzle 20 is double-walled with the inner tube 38, wherein, as explained, between the inner tube 38 and the bore 19 in the manifold 18, an air gap lies.
  • the water-conducting annular space of the annular gap nozzle 20 is thermally insulated from the central nozzle 27 as well as the intermediate hood 34 by layers 35, 36 of suitable material. These insulating layers 35, 36 may for example consist of metal with poor thermal conductivity or of ceramic material.
  • a disk 40 made of a heat-insulating material is provided on a bottom surface 39 of the manifold 18, on which the connecting line 4 for fluid 5 is placed.
  • the disc 40 is provided with through-holes to guide fluid 5 into the at least one bore 19 and the inner tube 38 in the manifold 18, respectively.
  • the nozzle housing 2 is designed in several parts and has a first, approximately pot-shaped component 64 with the connecting line 1 1 for superheated steam and the connection 17 for the connecting line 4 for fluid 5.
  • the manifold 18 is inserted, which is screwed onto the likewise inserted into the component 64 connecting line 4 and is supported in the radial direction via webs 66 on the inner wall of the cup-shaped member 64. Between the webs 66, the recesses 24 are provided, via the superheated steam 10 in the Flow channel formed by the bore 25 in the manifold 18 and to the outer annular gap 31 passes.
  • the outer hood 49 is screwed.
  • the intermediate hood 34 is arranged, which is screwed onto the distributor piece 18.
  • the outer annular gap nozzle 31 is thus formed for hot atomizing gas, which ends at the nozzle orifice at the outer annular gap 29.
  • the central nozzle piece 27 is screwed into the distributor piece 18. Between the central nozzle piece 27 and the intermediate hood 34, the annular gap nozzle 20 is formed for fluid to be atomized, which ends at the nozzle mouth at the annular gap 21. As already described, an annular gap nozzle 20 on one side bounding outside of the central nozzle piece 27 is partially covered with an insulating layer 35. Only immediately upstream of the annular gap 21 no insulating layer 35 is more provided in order to form the annular gap 21 can narrow.
  • the nozzle 1 according to the invention can be seen to have a very compact design and, in particular, the hot steam 10 is divided into the central nozzle 62 and the outer annular nozzle 31 within the housing 2 of the nozzle 1 over a short path.
  • the flow channel for superheated steam in the manifold 18, formed by the bore 25, passes through the hot steam to the central nozzle 62 is at an angle to the also provided in the manifold 18 flow channel for fluid to be atomized 5, formed by the bore 19 and the inner tube 38, respectively.
  • the flow channel for superheated steam and the flow channel for fluid are thus arranged crosswise within the distributor piece 18. In the illustrated embodiment, an angle of about 45 ° between the central longitudinal axes of the flow channel for superheated steam and the flow channel for fluid.
  • the manifold 18 is made of high-alloy stainless steel, which has a low thermal conductivity. In comparison with conventional brass nozzles, this already achieves a heat transfer from the superheated steam 10 to the cold fluid 5 which is reduced by a factor of about 8.
  • the inner tube 38 which is inserted into the bore 19 of the manifold 18, forms a flow channel for the fluid 5 through the manifold 18.
  • the inner tube 38 is designed as a rotating part and rests only in the areas 68, 70 on the inner wall of the bore 19 , Outside the regions 68, 70 illustrated in FIG. 1 in black, an insulating air gap 72 is located between the inner tube 38 and the distributor piece 18.
  • FIG. 2 shows the nozzle mouth with the outlet opening 60 of the nozzle 1 in an enlarged view. It can be seen that the outlet opening 60 of the central nozzle 62, the end of the annular gap 21 of the annular gap nozzle 20 and the annular gap 29 defining the outlet of the annular gap nozzle 31 are located exactly at the same height transversely to the flow direction. Only outside of the nozzle 1 does this result in a mixing of the superheated steam jets from the annular nozzle 31 and the central nozzle 62 with the annular gap flow of fluid to be atomized from the annular nozzle 20.
  • the representation of FIG. 3 shows a further multi-substance nozzle 80 according to the invention according to a second preferred embodiment.
  • the multi-material nozzle 80 is constructed in many parts identical to the multi-component nozzle 1 in FIG. 1, so that only the features different from the nozzle 1 in FIG. 1 are explained.
  • a central body 41 is screwed, which extends through a central nozzle 82 for superheated steam through.
  • the central body 41 is thus completely flowed around by the central chamber 26 in the manifold 18 to hot steam.
  • the outlet opening 60 of the central body is designed in the form of a widening cone 42, so that the outlet opening 60 is annular and an inner annular gap 43 for the exit of the bore 25 supplied portion of the superheated steam 10 is formed.
  • the annular stream of fluid 5 to be atomized is thus trapped between two equally hot vapor streams.
  • the central steam also flows out via the annular gap 43.
  • the central cone 42 only flows around hot steam, which is largely solids-free, so that there is no relevant deposit formation risk on the cone 42.
  • the steam consumption of the nozzle 80 with respect to the nozzle 1 can still be lowered slightly without this having a negative effect on the atomization quality.
  • the central nozzle 82 can be designed as a Laval nozzle. In the illustration of FIG. 3, however, this is not the case.
  • FIG. 4 shows sections of a multi-substance nozzle 90 according to the invention in accordance with a third preferred embodiment.
  • the nozzle 90 is formed in many parts identical to the nozzle 1 in Fig. 1, so that only the deviating from the nozzle 1 features are described.
  • the nozzle 90 has an outer hood 92, which is extended relative to the outer hood 49 of the nozzle 1.
  • the outlet opening 60 of the central nozzle 62 and the annular gap 21 of the annular gap nozzle 20 for the fluid to be atomized are set back relative to the nozzle mouth.
  • the nozzle mouth is formed in this case by the downstream end of the outer hood 92.
  • contact between the annular liquid flow from the annular gap 21 and the hot gas flows from the outlet opening 60 and the annular gap 29 occurs even within the nozzle housing.
  • the width of the annular gap 21 for the liquid is about 1 mm and this annular gap is compared to the nozzle mouth by about 5mm, so the fivefold width of the annular gap 21, reset.
  • the invention thus provides an externally mixing multi-substance nozzle in which a minimal internal heat transfer between the fluid to be sprayed and the atomizing gas is realized.
  • the division of the liquid to be atomized and the atomizing gas is carried out in a manifold which is integrated in the nozzle body or the nozzle housing.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine außenmischende Mehrstoffdüse zum Versprühen von Fluiden unter Zuhilfenahme eines relativ zu den zu versprühenden Fluiden heißen Zerstäubungsgases, insbesondere Dampf oder Heißgas. Die Düse weist ein Gehäuse auf, wobei das Gehäuse eine Austrittsöffnung für das Zerstäubungsgas, einen die Austrittsöffnung umgebenden ersten Ringspalt für zu versprühendes Fluid und einen den ersten Ringspalt umgebenden zweiten Ringspalt für das Zerstäubungsgas sowie ein Verteilerstück aufweist. Das Verteilerstück weist wenigstens einen Strömungskanal für zu versprühendes Fluid von einer Anschlussleitung zu dem ersten Ringspalt und wenigstens einen Strömungskanal von einer Zerstäubungsgasanschlussleitung zu der Austrittsöffnung für Zerstäubungsgas auf.

Description

Beschreibung
Außen mischende Mehrstoffdüse
Die Erfindung betrifft eine außen mischende Mehrstoffdüse zum Versprühen von Fluiden unter Zuhilfenahme eines relativ zu den zu versprühenden Fluiden heißen Zerstäubungsgases, insbesondere Dampf oder Heißgas.
In vielen verfahrenstechnischen Anlagen, die von einem primären Fluid, insbesondere von Rauchgas, durchströmt sind, stellt sich die Aufgabe, ein sekundäres Fluid, insbesondere Wasser, möglichst homogen in das primäre Fluid einzumischen und häufig auch auf kürzestem Wege zu verdunsten. Zu diesem Zweck werden häufig Zweistoffdüsen eingesetzt. Bei diesen Zweistoffdüsen wird die Flüssigkeit mittels eines gas- oder dampfförmigen Hilfsmittels zerstäubt. Diese Zweistoffdüsen zeichnen sich durch ein besonders feines Tropfenspektrum sowie durch ein sehr gutes Teillastverhalten aus. In manchen Anlagen, insbesondere in Kraftwerken und Müllverbrennungsanlagen, steht Wasserdampf zur Verfügung. Dann kann es aus Kostengründen sinnvoll sein, den Wasser- dampf als Zerstäubungshilfsmittel einzusetzen, weil die Bereitstellung einer entsprechenden Druckluftmenge mit hohen Investitions- und Betriebskosten verbunden wäre.
Für die Zerstäubung mit Zweistoffdüsen stehen zwei Düsen-Basistypen zur Verfügung, nämlich zum einen innen mischende Düsen und zum anderen außen mischende Düsen. Beispiele für innen mischende und außen mischende Düsen sind in Nasr, Jule and Bendig, Industrial Sprays and Atomization, Springer-Verlag, 2002, beispielsweise auf Seite 24 dargestellt.
Aus der US-Patentschrift 3,770,207 ist eine Sprühtrocknungsdüse bekannt, bei der ein Zerstäubungsgas auf zwei konzentrische Ringspalte aufgeteilt wird. Zwischen den beiden Ringspalten für das Zerstäubungsgas ist ein Ringspalt für die zu trocknende Lösung angeordnet. Der innerste Ringspalt für das Zerstäubungsgas wird durch das Einsetzen eines Kegelstücks in die mittige Austrittsöffnung gebildet.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 195 26 404 A1 ist eine Zweistoffdüse zum Zerstäuben von pastösen oder feststoffhaltigen Fluiden, beispielsweise Schlamm, beschrieben, bei der das zu zerstäubende Fluid durch einen zentralen, zylindrischen Kanal zugeführt und am Ende dieses Kanals durch ringförmig angeordnete Einzeldüsen das Zerstäubungsgas in das zu zerstäubende Fluid eingeblasen wird.
Aus der deutschen Patentschrift DE 85 79 24 ist eine Trocknungsdüse beschrieben, bei der die zu zerstäubende Flüssigkeit zwischen einem inneren und einem äußeren kegelförmigen Strom aus gasförmigem Zerstäubungshilfsmittel zerstäubt wird.
Mit der Erfindung soll eine außen mischende Mehrstoffdüse zum Versprühen von Fluiden verbessert werden. Erfindungsgemäß ist hierzu eine außen mischende Mehrstoffdüse zum Versprühen von Fluiden unter Zuhilfenahme eines im Vergleich zu den versprühenden Fluiden heißen Zerstäubungsgases, insbesondere Dampf oder Heißgas, vorgesehen, die ein Gehäuse aufweist, wobei das Gehäuse eine Austrittsöffnung für das Zerstäubungsgas, einen die Austrittsöffnung umgebenden ersten Ringspalt für zu versprühendes Fluid und einen den ersten Ringspalt umgebenden zweiten Ringspalt für das Zerstäubungsgas sowie ein Verteilerstück aufweist, wobei das Verteilerstück wenigstens einen Strömungskanal für zu versprühendes Fluid von einer Anschlussleitung zu dem ersten Ringspalt und wenigstens einen Strömungskanal von einer Zerstäubungsgasanschlussleitung zu der Austrittsöffnung für Zerstäubungsgas aufweist.
Das Vorsehen eines solchen Verteilerstücks innerhalb des Düsengehäuses sorgt dafür, dass zu versprühendes Fluid und Zerstäubungsgas auf kurzem Wege zu dem ersten Ringspalt bzw. der Austrittsöffnung und dem zweiten Ringspalt geführt werden. Alleine durch das Vorsehen des Verteilerstücks und die dadurch bedingten kurzen Wege wird eine nur geringe Wärmeübertragung von zu versprühendem Fluid auf das Zerstäubungsgas erreicht. Dadurch kann verhindert werden, dass das heiße Zerstäubungsgas vor dem Verlassen des Gehäuses bereits abkühlen und gegebenenfalls sogar kondensieren kann. Dadurch wird eine deutlich bessere Zerstäubungswirkung erzielt. Vorzugsweise ist das Verteilerstück aus massivem Material gefertigt und die Strömungskanäle sind innerhalb des massiven Materials vorgesehen.
In Weiterbildung der Erfindung weist das Gehäuse einen Ringkanal für Zerstäubungsgas auf, der das Verteilerstück wenigstens abschnittsweise umgibt. Auf diese Weise kann das Zerstäubungsgas von dem Ringkanal auf kurzem Weg in den zweiten Ringspalt geführt werden und, da vorteilhafter Weise der Strömungskanal des Verteilerstücks für das Zerstäubungsgas von dem Ringkanal ausgeht, kann das Zerstäubungsgas auf kurzem Wege auch zu der Austrittsöffnung geleitet werden. Mit der vorliegenden Erfindung wird ein neuartiges Düsenkonzept vorgeschlagen, bei dem das Zerstäubungsgas innerhalb eines kleinen, in das Düsengehäuse integrierten Verteilers auf einen zentralen Zerstäubungsgasstrom durch die Austrittsöffnung sowie auf einen äußeren Ringspaltstrom bewirkt wird. In diesem Verteiler wird auch das zu zerstäubende Fluid einem Ringspalt zugeteilt, der zwischen dem zentralen Strom und dem äußeren Ringspaltstrom des Zerstäubungsgases angeordnet ist. Dieser Verteiler bzw. die Strömungskanäle in dem Verteiler sind so dimensioniert, dass er sowohl von zu zerstäubendem Fluid als auch vom Zerstäubungsgas mit relativ hoher Geschwindigkeit passiert wird, so dass kaum Zeit für den Wärmeübergang bleibt. Ferner sind die zum Wärmeübergang zwischen Zerstäubungsgas und Fluid führenden Oberflächen sehr klein bemessen und die Abstände zwischen den einzelnen Strömungskanälen, welche das kalte Fluid bzw. das heiße Zerstäubungsgas führen, sind so groß wie möglich bemessen. Somit wird konstruktionsbedingt der innere Wärmeübergang von dem heißen Zerstäubungsgas, insbesondere von Wasserdampf, auf das zu zerstäubende Fluid minimiert bzw. auf einen vorteilhaften Wert begrenzt. Eine gewisse Vorheizung der Flüssigkeit kann durchaus vorteilhaft sein, weil sich hiermit, im Interesse einer guten Zerstäubung, die Oberflächenspannung und die Zähigkeit des zu zerstäubenden Fluids verringern lassen.
Bei der Erfindung geht es jedoch nicht ausschließlich um die Zerstäubungsqualität, wie sie sich im Labor unter idealen Randbedingungen an einer jungfräulichen Düse feststellen lässt. Vielmehr ist zu berücksichtigen, dass die Zerstäubungsqualität in der industriellen Praxis gelegentlich unter Bildung von Belägen innerhalb der Düsen oder am Düsen- mund leidet. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn als zu zerstäubendes Fluid Brauchwasser eingesetzt wird. Selbst wenn Schwebstoffe weitgehend durch Filtration eliminiert werden, ist in vielen Fällen eine Belagsbildung in der Düse oder am Düsenmund durch das Ausfällen gelöster Feststoffe festzustellen. Dies trifft vor allem auf jene Fälle zu, bei denen ein heißes Zerstäubungsgas eingesetzt wird, wodurch es dann zu einer Aufheizung der Wände kommt, die mit dem Brauchwasser in Kontakt stehen. Eine Begrenzung des Wärmeübergangs innerhalb der Düse nach der Erfindung kann dadurch auch das Problem der Belagsbildung in der Düse lösen.
In Weiterbildung der Erfindung ist zwischen dem Strömungskanal für zu zerstäubendes Fluid im Verteilerstück und dem Verteilerstück wenigstens abschnittsweise eine thermische Isolierung vorgesehen.
Auf diese Weise kann ein Wärmeübergang zwischen dem kalten, zu zerstäubendem Fluid und dem durch das heiße Zerstäubungsgas aufgeheizten Verteilerstück verringert werden.
In Weiterbildung der Erfindung ist der Strömungskanal für zu zerstäubendes Fluid im Verteilerstück wenigstens abschnittsweise mittels eines in das Verteilerstück eingesetzten Rohres gebildet.
Auf diese Weise lässt sich ein Wärmeübergang zwischen dem Strömungskanal und dem Verteilerstück bereits deutlich reduzieren. Vorteilhafterweise ist zwischen dem Rohr und dem Verteilerstück wenigstens abschnittsweise ein Luftspalt vorgesehen. Eine Luftspaltisolierung führt zu einer weiteren, deutlichen Verringerung des Wärmeübergangs von dem kalten zu versprühenden Fluid auf das Verteilerstück. In Weiterbildung der Erfindung ist die Anschlussleitung für zu zerstäubendes Fluid wenigstens im Verbindungsbereich zum Verteilerstück doppelwandig ausgebildet.
Auf diese Weise lässt sich eine gute thermische Isolierung, beispielsweise durch einen Luftspalt, zwischen der Anschlussleitung und dem Gehäuse der Düse erzielen.
In Weiterbildung der Erfindung ist zwischen dem ersten Ringspalt und dem Gehäuse sowie zwischen dem ersten Ringspalt und dem zweiten Ringspalt eine thermische Isolierschicht vorgesehen.
Auf diese Weise kann noch im Ringspaltbereich bis zum Austritt des zu zerstäubenden Fluids aus der Düse ein Wärmeübergang zwischen dem kalten Fluid und dem heißen Zerstäubungsgas minimiert werden. Dies ist bei der erfindungsgemäßen außen mischenden Zweistoffdüse von erheblichem Vorteil.
In Weiterbildung der Erfindung weist die Austrittsöffnung für das Zerstäubungsgas die Form eines dritten Ringspaltes auf.
Das zu zerstäubende Fluid wird dadurch zwischen zwei Ringspaltströme des heißen Zerstäubungsgases aufgenommen, so dass eine sehr gute Zerstäubungswirkung erreicht wird. Der dritte Ringspalt kann beispielsweise durch das Einsetzen eines Kegelstücks in die Austrittsöffnung gebildet werden.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Berandung des ersten Ringspalts in Strömungsrichtung gesehen vor einer äußeren Berandung des zweiten Ringspalts angeordnet. Auf diese Weise tritt das zu zerstäubende Fluid aus dem ersten Ringspalt aus und kommt in Kontakt mit dem Zerstäubungsgas aus dem zweiten Ringspalt, noch bevor das Zerstäubungsgas den Düsenmund am Ende des zweiten Ringspalts verlassen hat. Das Zerstäubungsgas aus dem zweiten Ringspalt kann dadurch noch nicht seitlich ausweichen, so dass eine Beschleunigung des zu zerstäubenden Fluids durch die flankierenden Gasströme noch vor dem Verlassen des Düsenmundes erfolgt. Auf diese Weise kann eine feinere Zerstäubung des zu versprühenden Fluids erzielt werden.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Berandung des ersten Ringspaltes um das ein- bis zehnfache der Breite des ersten Ringspalts in Strömungsrichtung gesehen vor der äußeren Berandung des zweiten Ringspaltes angeordnet.
In Weiterbildung der Erfindung ist wenigstens das Verteilerstück aus einem Material, insbesondere hoch legiertem Edelstahl, mit gegenüber Messing wesentlich, insbesondere um den Faktor 8, verringerter Wärmeleitzahl gebildet.
Bereits das Vorsehen eines wenig wärmeleitfähigen Materials für das Verteilerstück kann einen Wärmeübergang zwischen dem zu versprühenden Fluid und dem heißen Zerstäubungsgas wesentlich reduzieren.
In Weiterbildung der Erfindung ist ein unmittelbar stromaufwärts der Austrittsöffnung liegender Abschnitt des Strömungskanals für das heiße Zerstäubungsgas im Gehäuse so ausgebildet, dass er sich in Strömungsrichtung gesehen zunächst verjüngt und nach Passieren einer Engstelle sich bis zur Austrittsöffnung wieder erweitert.
Auf diese Weise kann eine Austrittsdüse für das Zerstäubungsgas konvergent/divergent ausgebildet werden. Insbesondere kann diese Aus- trittsdüse als Lavaldüse ausgebildet werden, so dass das heiße Zerstäubungsgas dann mit Überschallgeschwindigkeit aus der Austrittsöffnung austritt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung im Zusammenhang mit den Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße außenmischende Mehrstoffdüse in einer Schnittansicht gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,
Fig. 2 eine vergrößerte Einzelheit der Mehrstoffdüse der Fig. 1 ,
Fig. 3 eine erfindungsgemäße Mehrstoffdüse gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform und
Fig. 4 eine Einzelheit einer erfindungsgemäßen Mehrstoffdüse gemäß einer dritten Ausführungsform.
Die Schnittansicht der Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Mehrstoffdüse 1 gemäß der Erfindung. Bei der Mehrstoffdüse 1 gemäß der Erfindung wird die Aufgabenstellung, vorzeitige Enthalpieverluste des Zerstäubungsgases durch Wärmeübergang an die zu zerstäubende Flüssigkeit weitgehend zu unterbinden und der Belagsbildung in der Düse durch temperaturabhängige Ausfällung der bei niedriger Temperatur gelösten Inhaltsstoffe der Flüssigkeiten vorzubeugen, auf folgende Weise gelöst: Der über die Dampfzuleitung der Mehrstoffdüse 1 zugeführte Dampfstrom 10 wird in einem neuartigen, kleindimensionierten Verteilerstück 18, das somit in die Düse 1 integriert werden kann, in zwei Teilströme zerlegt. Erzeugt wird ein äußerer Teilstrom 30 und ein zentraler Teilstrom 28 an Dampf bzw. heißem Zerstäubungsgas. Der äußere Teilstrom 30 wird über einen äußeren Ringspalt 29 ausgeblasen, während der zentrale Teilstrom 28 über eine Zentraldüse 62, die an einer Austrittsöffnung 60 endet, ausgeblasen wird. Zwischen der Zentraldüse 62 mit der Austrittsöffnung 60 und einer äußeren Ringspaltdüse 31 ist eine Ringspaltdüse 20 für den Ausstoß des zu versprühenden Fluids, speziell zu zerstäubenden Wassers, angeordnet. Der Ansatz einer Zerstäubung der Flüssigkeit über einen zentralen Strom und einen äußeren Ringspaltstrom des Zerstäubungshilfsmittels erleichtert die Zerstäubung. Wesentlich für die Erfindung ist aber die Gestaltung des Verteilerstücks 18 zum Verteilen von zu versprühendem Fluid und heißem Zerstäubungsgas auf die einzelnen Austrittsöffnungen der Düse 1.
Ein charakteristisches Merkmal der Düse 1 ist, dass das zu zerstäubende Fluid nicht über eine Zentraldüse ausgestoßen wird sondern über einen Ringspalt. Dieser Ringspalt kann relativ groß bemessen werden, weil hier eine hohe Austrittsgeschwindigkeit der Flüssigkeit nicht erforderlich ist. Die Zerstäubung erfolgt erfindungsgemäß dadurch, dass der Flüssigkeitsfilm zwischen zwei Hochgeschwindigkeits-Zerstäubungsgas- strömungen eingebracht wird. Durch die Schubspannungswirkung dieser Hochgeschwindigkeitsströmungen wird der Flüssigkeitsfilm aus dem Ringspalt zu einer dünnen Flüssigkeitslamelle ausgezogen, die in kleine Tropfen zerfällt. Somit ist auch das Risiko eines Materialabtrages an den Ringspaltwandungen der Flüssigkeitsdüse, nämlich am Ringspalt 21 , stark reduziert und die Langzeitstabilität der Durchflusscharakteristik einer derartigen Düse stellt insofern kein Problem dar. Eine derartige Düse verfügt jedoch auch über ein sehr gutes Teillastverhalten, ganz im Gegensatz zu Einstoffdüsen nach dem Stand der Technik mit Drallerzeuger in der Flüssigkeitsführung.
Die Zentraldüse 62 für heißes Zerstäubungsgas mit der Austrittsöffnung 60 ist gemäß Fig. 1 in Strömungsrichtung als Konvergent-Divergent- Düse ausgeführt. Wenn beispielsweise Dampf mit einem überkritischen Druckverhältnis angeliefert wird, arbeitet diese Konfiguration als Laval- düse und der Dampf tritt dann mit Überschallgeschwindigkeit aus der Zentraldüse 62 an der Austrittsöffnung 60 aus. Wichtig ist aber auch, dass die Düse 1 keine von Brauchwasser umspülte Endfläche aufweist. Dies wird durch die sehr schmal ausgebildeten Berandungen des Ringspalts 21 erreicht. Somit tritt hier auch nicht das Problem stalaktitenför- miger Beläge auf, wie dies bei Endflächen von Düsen nach dem Stand der Technik zu beobachten ist.
Wesentliche Merkmale der erfindungsgemäßen Düse 1 betreffen die thermische Entkopplung des heißen Zerstäubungsgases, speziell Dampf, vom kalten Wasser am Düsenanschluss und im Inneren der Düse. Zu diesem Zweck ist die Zuführungsleitung 4 für das Wasser 5 dop- pelwandig ausgeführt.
Ferner sind Durchtrittsbohrungen im Verteilerstück 18, über welche das Wasser 5 dem Ringspalt 21 und der Dampf der Zentraldüse 62 mit der Austrittsöffnung 60 bzw. dem äußeren Ringspalt 29 zugeführt wird, in einem größtmöglichen Abstand voneinander angeordnet. In die Bohrungen 19 für die Zufuhr des Wassers zu der Austrittspartie der Düse 1 werden Innenröhren 38 eingesetzt, die an der Außenseite, also an ihrem Anfang und Ende, so hinterdreht sind, dass nur in schmalen Abschnitten ein die Innenröhrchen 38 in der Bohrung 12 im Verteilerstück 18 zentrierender Wandkontakt besteht. Hierdurch wird zwischen dem wasserführenden Innenrohr 38 und dem Verteilerstück 18 ein mit Luft gefüllter Hohlraum erzeugt, der als thermische Isolation dient. Ferner wird auch der Außenmantel der Zentraldüse 62 mit der Austrittsöffnung 60 sowie der Innenmantel der Ringspaltdüse 20 mit dem Ringspalt 21 mit einer thermisch isolierenden Schicht 35, 36 belegt, so dass die zu zerstäubende Flüssigkeit praktisch auf ihrer gesamten Passage durch die Düse 1 bis in die unmittelbare Nähe zum Düsenmund mit einer thermischen Isolation gegen das Düsengehäuse und speziell gegen das Verteilerstück 18 und somit auch gegen die Strömung des heißen Zerstäubergases ausgestattet ist. Auf diese Weise wird erreicht, dass sich die Flüssigkeit nur geringfügig erwärmt, bzw. dass das heiße Zerstäubungsgas, insbesondere der Heißdampf, nur geringe Enthalpieverluste durch Abkühlung erleidet.
Selbstverständlich besteht die Möglichkeit, auch auf der mit Dampf beaufschlagten Seite der Düse eine Wärmeisolation aufzubringen. Dies dürfte jedoch in aller Regel unverhältnismäßig aufwändiger sein, weil die mit dem Dampf in Berührung stehende Oberfläche wesentlich größer ist, als dies auf der Wasserseite der Fall ist.
Eine weitere interessante Möglichkeit besteht darin, wenigstens für das Verteilerstück 18 einen Werkstoff mit geringer Wärmeleitung einzusetzen, der andererseits für die vorgegebene Betriebstemperatur von z.B. 300°C geeignet ist. Bereits der Übergang von Messing auf einen hochlegierten Edelstahl führt zu einer Verringerung der Wärmeleitung um den Faktor 8.
Fig. 1 und Fig. 2 als Detailvergrößerung von Fig. 1 zeigen die Düse 1 in einer Schnittansicht. Die Düse 1 ist dafür vorgesehen, innerhalb eines Kanals 3 angeordnet zu werden, der ein primäres Fluid führt, beispielsweise Rauchgas, in das ein zu zerstäubendes Fluid eingedüst werden soll. Der Kanal 3 ist lediglich schematisch durch eine seiner Beendungen dargestellt. Die Düse 1 befindet sich somit innerhalb des Stroms des primären Fluids im Kanal 3.
Die zu zerstäubende Flüssigkeit 5 wird über eine Anschlussleitung 4 über einen zentralen Anschluss 17 des Düsengehäuses 2 dem Verteilerstück 18 der Düse 1 zugeführt. Über wenigstens eine Bohrung 19 im Verteilerstück 18, in die ein Innenrohr 38 eingesetzt ist, gelangt die Flüs- sigkeit 5 in einen ringförmigen Raum der Ringspaltdüsen 20, der nach innen durch ein Zentraldüsenstück 27 und nach außen durch eine Zwischenhaube 34 begrenzt ist. Von diesem Ringraum aus gelangt die Flüssigkeit auf kürzestem Wege zum Flüssigkeitsaustritt am Ringspalt 21.
Das Zerstäubungsgas, z.B. Heißdampf 10, wird über eine Rohrleitung 1 1 , die wie die Anschlussleitung 4 aus dem Kanal 3 herausführt, zunächst einem Ringraum 23 im Düsengehäuse 2 zugeführt. Von diesem Ringraum 23 aus gelangt das Zerstäubungsgas über wenigstens eine Ausfräsung 24 und über wenigstens eine Bohrung 25 im Verteilerstück 18 in einen Zentralraum 26 im Verteilerstück 18. Die Bohrung 25 ist so bemessen, dass eine definierte Aufteilung des Heißdampfes 10 in zwei Teilströme erfolgt, nämlich einmal über die Bohrung 25 zur Austrittsöffnung 60 der Zentraldüse 62 und einmal über den Ringraum der Ringspaltdüse 31 zum Ringspalt 29 am Düsenmund.
Bei der dargestellten Ausführungsform der Düse 1 ist das Zentraldüsenstück 27 in das Verteilerstück 18 eingeschraubt und bildet die Zentraldüse 62 für den Zentraldampfstrahl 28. Ein Strömungspfad der Zentraldüse 62 verläuft anschließend an den Zentralraum 26 im Verteilerstück 18 zunächst konvergent in einem ersten, sich kegelförmig verjüngenden Abschnitt. An diesen ersten, sich kegelförmig verjüngenden Abschnitt schließt sich ein zylindrischer Abschnitt an, der eine Engstelle bildet. Hieran anschließend folgt ein sich kegelförmig erweiternder Abschnitt bis zur Austrittsöffnung 60. Wie bei Lavaldüsen üblich, verläuft die Zentraldüse 62 somit zunächst konvergent und dann divergent und die Querschnittsabmessungen der Zentraldüse 62 sind für die Aufteilung des Dampfstromes 10 auf die Zentraldüse 62 und auf die äußere Ringspaltdüse 31 mit verantwortlich. Der äußere Dampfstrom, auch Ringspaltdampfstrom 30 genannt, wird über die Ausfräsung 24 zunächst dem Ringraum der Ringspaltdüse 31 zugeführt und gelangt von hier aus in den äußeren Ringspalt 29. Der Dampf tritt demnach sowohl als Zentraldampfstrahl 28 aus der Zentraldüse 62 aus, als auch aus dem äußeren Ringspalt 29.
Der äußere Ringspalt 29 ist zwischen einer Außenhaube 49 und der Zwischenhaube 34 gebildet. Aus dem äußeren Ringspalt 29 und aus der Austrittsöffnung 60 tritt der Dampf mit hoher Geschwindigkeit bis hin zu hohen Überschallgeschwindigkeiten aus, wie in Fig. 2 durch Pfeile 32, 33 veranschaulicht ist. Durch die Wechselwirkung zwischen dem ringförmigen Flüssigkeitsstrahl, der aus dem ersten Ringspalt 21 austritt, und den flankierenden Dampfstrahlen gemäß den Pfeilen 32 und 33 entsteht ein Tropfensprühstrahl mit der Berandung 22, wie er gestrichelt in Fig. 1 angedeutet ist.
In vielen Fällen dürfte die vorstehend beschriebene Konfiguration bereits eine ausreichende thermische Entkopplung von Heißdampf 10 als Zerstäubungsgas und der zu zerstäubenden, kalten Flüssigkeit 5 bewirken. Um eine solche thermische Entkopplung zu verbessern und einen Wärmeübergang zwischen zu verstäubendem Fluid 5 und dem Heißdampf 10 zu verringern, ist die Anschlussleitung 4 für das Fluid 5 doppelwandig ausgebildet, in dem ein Innenrohr 37 bis zum Anschluss an das Verteilerstück 18 vorgesehen ist. Die Anschlussleitung 4 ist somit doppelwandig ausgebildet und mit einem thermisch isolierenden Luftzwischenraum 44 versehen. Alternativ kann die Anschlussleitung auch mit einer Graphitbüchse ausgeführt werden, um eine thermische Isolation zu erreichen.
Ferner ist auch der Strömungskanal in der wenigstens einen Bohrung 19 im Verteilerstück 18 für die Zufuhr des Wassers zum Ringraum der Ringspaltdüse 20 doppelwandig mit dem Innenrohr 38 ausgeführt, wobei, wie erläutert wurde, zwischen dem Innenrohr 38 und der Bohrung 19 im Verteilerstück 18 ein Luftzwischenraum liegt. Der wasserführende Ringraum der Ringspaltdüse 20 ist zum Zentraldü- senstück 27 wie auch zur Zwischenhaube 34 hin durch Schichten 35, 36 aus geeignetem Material thermisch isoliert. Diese Isolationsschichten 35, 36 können beispielsweise aus Metall mit schlechter Wärmeleitfähigkeit oder auch aus keramischen Material bestehen.
Um den Wärmeübergang zwischen Fluid 5 und Heißdampf 10 weiter zu verringern, ist auf einer Bodenfläche 39 des Verteilerstücks 18, auf die die Anschlussleitung 4 für Fluid 5 aufgesetzt ist, eine aus einem wärmeisolierenden Material gefertigte Scheibe 40 vorgesehen. Dadurch kann ein Wärmeübergang vom Fluid 5 in der Anschlussleitung 4 auf das Verteilerstück 18 wesentlich verringert werden. Die Scheibe 40 ist mit Durchgangsbohrungen versehen, um Fluid 5 in die wenigstens eine Bohrung 19 bzw. das Innenrohr 38 im Verteilerstück 18 zu leiten.
In welchem Umfang die vorstehend beschriebenen Maßnahmen ergriffen werden, hängt von den Betriebsbedingungen der Düse ab. Bereits durch das Vorsehen des Verteilerstücks 18 im Gehäuse 2 der Düse 1 wird in vielen Fällen bereits eine ausreichende thermische Entkopplung von Heißdampf 10 und zu zerstäubender Flüssigkeit 5 erreicht, so dass in aller Regel auf derartige aufwändige zusätzliche Isolationsmaßnahmen verzichtet werden kann.
Das Düsengehäuse 2 ist mehrteilig ausgebildet und weist ein erstes, etwa topfförmiges Bauteil 64 mit der Anschlussleitung 1 1 für Heißdampf und dem Anschluss 17 für die Anschlussleitung 4 für Fluid 5 auf. In das topfförmige Bauteil 64 ist das Verteilerstück 18 eingesetzt, das auf die ebenfalls in das Bauteil 64 eingeschobene Anschlussleitung 4 aufgeschraubt ist und sich in radialer Richtung über Stege 66 an der Innenwandung des topfformigen Bauteils 64 abstützt. Zwischen den Stegen 66 sind die Ausfräsungen 24 vorgesehen, über die Heißdampf 10 in den Strömungskanal, gebildet durch die Bohrung 25, im Verteilerstück 18 und zu dem äußeren Ringspalt 31 gelangt.
Auf das topfförmige Bauteil 64 ist die Außenhaube 49 aufgeschraubt. Innerhalb der Außenhaube 49 ist die Zwischenhaube 34 angeordnet, die auf das Verteilerstück 18 aufgeschraubt ist. Zwischen der Außenhaube 49 und der Zwischenhaube 34 ist somit die äußere Ringspaltdüse 31 für heißes Zerstäubungsgas gebildet, die am Düsenmund an dem äußeren Ringspalt 29 endet.
Innerhalb der Zwischenhaube 34 ist das Zentraldüsenstück 27 in das Verteilerstück 18 eingeschraubt. Zwischen dem Zentraldüsenstück 27 und der Zwischenhaube 34 ist die Ringspaltdüse 20 für zu zerstäubendes Fluid gebildet, die am Düsenmund am Ringspalt 21 endet. Wie bereits beschrieben wurde, ist eine die Ringspaltdüse 20 einseitig begrenzende Außenseite des Zentraldüsenstücks 27 abschnittsweise mit einer Isolierschicht 35 belegt. Lediglich unmittelbar stromaufwärts des Ringspalts 21 ist keine Isolierschicht 35 mehr vorgesehen, um den Ringspalt 21 schmal ausbilden zu können.
Eine Innenseite der Zwischenhaube 34, die die Ringspaltdüse 20 nach außen begrenzt, ist ebenfalls abschnittsweise mit einer Isolierschicht 36 belegt. Lediglich unmittelbar stromaufwärts des Ringspalts 21 ist keine Isolierschicht 36 mehr vorgesehen.
Die erfindungsgemäße Düse 1 ist ersichtlich sehr kompakt ausgeführt und speziell erfolgt eine Aufteilung des Heißdampfes 10 auf die Zentraldüse 62 und die äußere Ringspaltdüse 31 innerhalb des Gehäuses 2 der Düse 1 auf kurzem Wege. Der Strömungskanal für Heißdampf im Verteilerstück 18, gebildet durch die Bohrung 25, über den Heißdampf zur Zentraldüse 62 gelangt, ist in einem Winkel zu dem ebenfalls im Verteilerstück 18 vorgesehenen Strömungskanal für zu zerstäubendes Fluid 5, gebildet durch die Bohrung 19 und das Innenrohr 38, angeordnet. Der Strömungskanal für Heißdampf und der Strömungskanal für Fluid sind somit kreuzweise innerhalb des Verteilerstücks 18 angeordnet. Bei der dargestellten Ausführungsform liegt ein Winkel von etwa 45° zwischen den Mittellängsachsen des Strömungskanals für Heißdampf und des Strömungskanals für Fluid.
Das Verteilerstück 18 ist aus hochlegiertem Edelstahl gefertigt, das eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist. Gegenüber konventionellen Messingdüsen wird dadurch bereits eine um einen Faktor von etwa 8 verringerte Wärmeübertragung vom Heißdampf 10 auf das kalte Fluid 5 erreicht.
Das Innenrohr 38, das in die Bohrung 19 des Verteilerstücks 18 eingesetzt ist, bildet einen Strömungskanal für das Fluid 5 durch das Verteilerstück 18. Das Innenrohr 38 ist als Drehteil ausgeführt und liegt lediglich in den Bereichen 68, 70 an der Innenwandung der Bohrung 19 an. Außerhalb der in Fig. 1 schwarz dargestellten Bereiche 68, 70 liegt zwischen dem Innenrohr 38 und dem Verteilerstück 18 ein isolierender Luftspalt 72.
Fig. 2 zeigt den Düsenmund mit der Austrittsöffnung 60 der Düse 1 in vergrößerter Darstellung. Zu erkennen ist, dass sich die Austrittsöffnung 60 der Zentraldüse 62, das Ende des Ringspalts 21 der Ringspaltdüse 20 und der den Austritt der Ringspaltdüse 31 definierende Ringspalt 29 quer zur Strömungsrichtung gesehen exakt auf gleicher Höhe befinden. Erst außerhalb der Düse 1 erfolgt dadurch eine Vermischung der Heißdampfstrahlen aus der Ringspaltdüse 31 und der Zentraldüse 62 mit dem Ringspaltstrom aus zu zerstäubenden Fluid aus der Ringspaltdüse 20. Die Darstellung der Fig. 3 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Mehrstoffdüse 80 gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform. Die Mehrstoffdüse 80 ist in weiten Teilen identisch zur Mehrstoffdüse 1 in Fig. 1 aufgebaut, so dass lediglich die zur Düse 1 in Fig. 1 verschiedenen Merkmale erläutert werden.
Wie in Fig. 3 zu erkennen ist, ist in das Verteilerstück 18 ein Zentralkörper 41 eingeschraubt, der sich durch eine Zentraldüse 82 für Heißdampf hindurch erstreckt. Der Zentralkörper 41 ist damit von der Zentralkammer 26 im Verteilerstück 18 an vollständig von Heißdampf umströmt. Im Bereich der Austrittsöffnung 60 ist der Zentralkörper in Form eines sich erweiternden Kegels 42 gestaltet, so dass die Austrittsöffnung 60 ringförmig ausgebildet ist und ein innerer Ringspalt 43 für den Austritt des über die Bohrung 25 zugeführten Anteils des Heißdampfes 10 gebildet ist. Der ringförmige Strom an zu zerstäubendem Fluid 5 wird somit zwischen zwei ebenfalls ringförmigen Heißdampfströmen eingeschlossen.
Durch Vorsehen des Kegels 42 strömt auch der Zentraldampf über den Ringspalt 43 aus. Der Zentralkegel 42 ist in diesem Fall aber nur von Heißdampf umströmt, der weitestgehend feststofffrei ist, so dass kein relevantes Belagsbildungsrisiko am Kegel 42 besteht. Durch den Kegel 42 kann der Dampfverbrauch der Düse 80 gegenüber der Düse 1 noch etwas gesenkt werden, ohne dass dies negative Auswirkungen auf die Zerstäubungsqualität hat. Auch bei der Düse 80 mit dem Zentralkegel 42 kann die Zentraldüse 82 als Lavaldüse ausgeführt werden. In der Darstellung der Fig. 3 ist dies allerdings nicht der Fall. Um die Zentraldüse 82 als Lavaldüse auszubilden, muss der Strömungsquerschnitt des Ringspalts zwischen dem Zentralkörper 41 und der Austrittspartie der Zentraldüse 82 zum Düsenmund hin einen divergenten Verlauf aufweisen. Die Darstellung der Fig. 4 zeigt abschnittsweise eine erfindungsgemäß Mehrstoffdüse 90 gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform. Die Düse 90 ist in weiten Teilen identisch zur Düse 1 in Fig. 1 ausgebildet, so dass lediglich die gegenüber der Düse 1 abweichenden Merkmale beschrieben werden.
Die Düse 90 weist eine Außenhaube 92 auf, die gegenüber der Außenhaube 49 der Düse 1 verlängert ist. Dadurch ist die Austrittsöffnung 60 der Zentraldüse 62 und der Ringspalt 21 der Ringspaltdüse 20 für zu zerstäubendes Fluid gegenüber dem Düsenmund zurückgesetzt. Der Düsenmund ist in diesem Fall durch das stromabwärts gelegene Ende der Außenhaube 92 gebildet. Bei der Düse 90 tritt dadurch bereits innerhalb des Düsengehäuses ein Kontakt zwischen dem ringförmigen Flüssigkeitsstrom aus dem Ringspalt 21 und den Heißgasströmen aus der Austrittsöffnung 60 und dem Ringspalt 29 auf. Bereits innerhalb des Düsengehäuses, wenn auch nahe am Düsenmund, entsteht dadurch eine freie Flüssigkeitslamelle, die nicht mehr durch Wandreibung abgebremst, sondern durch die flankierenden Hochgeschwindigkeitsströme aus Zerstäubungshilfsmittel, beispielsweise Heißdampf, stark beschleunigt wird. Dies bereits innerhalb der Düse 90 umzusetzen bietet den Vorteil, dass hier die Ströme des Zerstäubungshilfsmittels und speziell der Heißgasstrom aus dem Ringspalt 29 noch nicht seitlich ausweichen können, wie dies nach dem Verlassen der Düse der Fall ist. Auf diese Weise wird eine noch feinere Zerstäubung der Flüssigkeit bewirkt. Der Rücksprung des Austritts der Flüssigkeitsdüse gegenüber der Position des Düsenmundes beträgt vorteilhafter Weise das ein- bis zehnfache der Breite des Ringspaltes 21 der Ringspaltdüse 20 für die Flüssigkeit an der Düsenmündung. Bei der dargestellten, lediglich exemplarischen Zeichnung beträgt die Breite des Ringspalts 21 für die Flüssigkeit etwa 1 mm und dieser Ringspalt ist gegenüber dem Düsenmund um etwa 5mm, also die fünffache Breite des Ringspalts 21 , zurückgesetzt. Mit der Erfindung wird somit eine außenmischende Mehrstoffdüse bereitgestellt, bei der ein minimaler innerer Wärmeübergang zwischen dem zu versprühenden Fluid und dem Zerstäubungsgas realisiert ist. Die Aufteilung der zu zerstäubenden Flüssigkeit sowie des Zerstäubungsgases wird in einem Verteiler vorgenommen, der in den Düsenkörper bzw. das Düsengehäuse integriert ist. Durch diese erfindungsgemäße Gestaltung wird erreicht, dass der Wärmeübergang vom heißen Zerstäubungsgas auf die zu zerstäubende Flüssigkeit innerhalb der Düse, speziell innerhalb des Düsengehäuses minimiert oder auf einen vorteilhaften Wert begrenzt ist. Die erfindungsgemäßen außenmischenden Mehrstoffdüsen finden Verwendung in Rauchgaskanälen oder in Rauchgasreinigungsanlagen in Kraftwerken oder in der Zementindustrie.

Claims

Patentansprüche
Außenmischende Mehrstoffdüse zum Versprühen von Fluiden unter Zuhilfenahme eines relativ zu den zu versprühenden Fluiden heißen Zerstäubungsgases, insbesondere Dampf oder Heißgas, mit einem Gehäuse (2), wobei das Gehäuse (2) eine Austrittsöffnung (60) für das Zerstäubungsgas, einen die Austrittsöffnung (60) umgebenden ersten Ringspalt (21 ) für zu versprühendes Fluid und einen den ersten Ringspalt (21 ) umgebenden zweiten Ringspalt (29) für das Zerstäubungsgas sowie ein Verteilerstück (18) aufweist, wobei das Verteilerstück (18) wenigstens einen Strömungskanal für zu versprühendes Fluid von einer Anschlussleitung (4) zu dem ersten Ringspalt (21 ) und wenigstens einen Strömungskanal von einer Zerstäubungsgasanschlussleitung (1 1 ) zu der Austrittsöffnung (60) für Zerstäubungsgas aufweist.
Außenmischende Mehrstoffdüse nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) einen Ringkanal (23) für Zerstäubungsgas aufweist, der das Verteilerstück (18) wenigstens abschnittsweise umgibt.
Außenmischende Mehrstoffdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal des Verteilerstücks (18) für das Zerstäubungsgas von dem Ringkanal (23) ausgeht.
Außenmischende Mehrstoffdüse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Strömungskanal für zu zerstäubendes Fluid und dem Verteilerstück (18) wenigstens abschnittsweise eine thermische Isolierung vorgesehen ist.
5. Außenmischende Mehrstoffdüse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal für zu zerstäubendes Fluid wenigstens abschnittsweise mittels eines in das Verteilerstück (18) eingesetzten Rohres (38) gebildet ist.
6. Außenmischende Mehrstoffdüse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Rohr (38) und dem Verteilerstück (18) wenigstens abschnittsweise ein Luftspalt (72) vorgesehen ist.
7. Außenmischende Mehrstoffdüse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussleitung (4) für zu zerstäubendes Fluid wenigstens im Verbindungsbereich zum Verteilerstück (18) doppelwandig ausgebildet ist.
8. Außenmischende Zweistoffdüse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Ringspalt (21 ) und dem Gehäuse (2) sowie zwischen dem ersten Ringspalt (21 ) und dem zweiten Ringspalt (29) eine thermische Isolierschicht (35, 36) vorgesehen ist.
9. Außenmischende Mehrstoffdüse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung (60) für Zerstäubungsgas die Form eines dritten Ringspalts aufweist.
10. Außenmischende Mehrstoffdüse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Berandung des ersten Ringspalts (21 ) in Strömungsrichtung gesehen vor einer äußeren Berandung des zweiten Ringspalts (29) angeordnet ist.
1 1. Außenmischende Mehrstoffdüse nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Berandung des ersten Ringspaltes (21 ) um das ein- bis zehnfache der Breite des ersten Ringspalts in Strömungsrichtung gesehen vor der äußeren Berandung des zweiten Ringspalts (29) angeordnet ist.
12. Außenmischende Mehrstoffdüse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens das Verteilerstück (18) aus einem Material, insbesondere hoch legiertem Edelstahl, mit gegenüber Messing wesentlich, insbesondere um den Faktor 8, verringerter Wärmeleitzahl gebildet ist.
13. Außenmischende Mehrstoffdüse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein unmittelbar stromaufwärts der Austrittsöffnung (60) liegender Abschnitt des Strömungskanals für Zerstäubungsgas im Gehäuse (2) sich in Strömungsrichtung gesehen zunächst verjüngt und nach passieren einer Engstelle sich bis zur Austrittsöffnung (60) wieder erweitert.
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