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Dokumentenidentifikation DE102005039412A1 22.02.2007
Titel Zweistoffzerstäubervorrichtung
Anmelder Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, 76133 Karlsruhe, DE
Erfinder Krebs, Lampert, Dr., 76297 Stutensee, DE;
Pantouflas, Emmanouil, Dipl.-Ing., 76133 Karlsruhe, DE;
Wiemer, Hans Joachim, Dipl.- Ing., 76344 Eggenstein-Leopoldshafen, DE;
Zarzalis, Nikolaos, Prof. Dr.-Ing., 76189 Karlsruhe, DE
DE-Anmeldedatum 20.08.2005
DE-Aktenzeichen 102005039412
Offenlegungstag 22.02.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.02.2007
IPC-Hauptklasse B05B 7/04(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F23D 11/38(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Zweistoffzerstäubervorrichtung für die Zerstäubung einer Flüssigkeit in einem Gasstrom, umfassend eine Flüssigkeitszufuhr (1) mit Düsenöffnung (3), ein konzentrisch um die Flüssigkeitszufuhr angeordnete Gaszufuhr (4), wobei die Düsenöffnung in der Gaszufuhr endet, einen rotationssymmetrischen Mischkanal (5) in axialer Verlängerung zur Flüssigkeitszufuhr mit einer Austrittsöffnung (6), eine konzentrische Gasabzweigung (8) von der Gaszufuhr (4) vor der Düsenöffnung (3) sowie eine ringförmige Eindüsungsöffnung (11) an der Austrittsöffnung (6), die an die Gasabzweigung angeschlossen ist. Die Aufgabe liegt darin, eine universell einsetzbare Zweistoffzerstäubungsvorrichtung vorzuschlagen, die auch eine Anpassung an sich während eines kontinuierlichen Betriebs sich ändernde Rahmenbedingungen zulässt. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass Mittel zur Verstellung des Querschnitts der Eindüsungsöffnung (11) vorgesehen sind.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Zweistoffzerstäubervorrichtung für die Zerstäubung einer Flüssigkeit in einem Gasstrom gemäß des ersten Patentanspruchs.

Bei hohen Zerstäubungsanforderungen bezüglich Sprayqualität, Durchsatz und Regelbereich werden gasgestützte Zerstäuber, die im Folgenden als Zweistoffzerstäubervorrichtungen bezeichnet werden, eingesetzt. Dabei wird die für die Zerstäubung der Flüssigkeit notwendige Energie über das Gas (Luft, Dampf oder Inertgase) eingebracht, d.h. über die Relativgeschwindigkeit zwischen Gas und Flüssigkeit. Üblicherweise wird die Flüssigkeit direkt in den Gasstrom eingespritzt und durch die Gasströmung zerstäubt.

Zu der vorgenannten Zerstäubergruppe gehören auch innenmischende Zweistoffzerstäubervorrichtungen mit koaxialer Flüssigkeitsvorlage. Sie zeichnen sich meist durch einen rotationssymmetrischen Aufbau des Zerstäuberaufbaus aus und weisen einen in der Vorrichtung angeordnete Mischkanal aus, in der die Flüssigkeitszufuhr und die Gaszufuhr ausmünden und die wiederum eine Austrittsöffnung zur Umgebung aufweist. Das zerstäubte Flüssigkeits-Gas-Gemisch verlässt als fertiges Produkt die Austrittsöffnung und unterscheidet sich damit von Systemen, bei dem die Zerstäubung außerhalb der Vorrichtung stattfindet (z.B. bei Farbspritzpistolen). Typische Vertreter der innenmischenden Zweistoffzerstäubervorrichtung sind Brenner für Verbrennungsanlagen wie z.B. Schweölbrenner oder Vorkammer-Dieselmotoren (Vorkammer = Mischkanal).

Die große Anzahl von Einflussparametern und fehlende Informationen über die Spraycharakteristik erlauben keine zufrieden stellende Optimierung von Zweistoffzerstäubervorrichtung. Eines der bedeutendsten technischen Probleme das bei den heute eingesetzten innenmischenden Zerstäubervorrichtungen auftritt ist die Wandfilmbildung (Kanalbenetzung) des Mischkanal. Bei bestimmten Betriebsbedingungen besteht die Wahrscheinlichkeit einer zu schnell ablaufenden Aufweitung des Flüssigkeitsstrahls in dem Mischkanal innerhalb der Zerstäubervorrichtung und somit der Bildung eines Wandfilms im Austrittskanal. Dieser Film wird mit der Strömung des Gas-Flüssigkeits-Gemisch zur Austrittsöffnung gedrückt und dort durch die Strömung als größere Tropfen mitgerissen. Insofern wird unmittelbar an der Austrittsöffnung ein Gasströmungszustand angestrebt, der die Tropfen nicht nur mitreißt, sondern auch zerstäubt. Einer dieser Gasströmungszustände wird durch Eindüsung eines Mantelgases für das austretende Gas-Flüssigkeits-Gemisch realisiert.

In der DE 199 41 091 A1 wird beispielhaft ein Heizölbrenner mit einer innnenmischenden Zweistoffzerstäuberdüse beschrieben, bei der am Austritt aus dem Mischkanal eine zusätzliche ringförmige Gaseindüsung vorgeschlagen wird.

Auch die DE 35 25 161 A1 offenbart eine entsprechende Gestaltung des Mischkanalaustritts einer Vorrichtung zur Zerstäubung der flüssigen oder hochviskosen Brennstoffe.

Die vorgenannten Vorrichtungen weisen jedoch keine direkte Regelung der Eindüsungsöffnungen auf, die insbesondere eine während des laufenden Betriebs, d.h. ohne Unterbrechung der Zerstäubung erfolgende Änderung der Düsengeometrie zulassen.

Bislang hat man die geometrischen Parameter von Zweistoffzerstäubungsvorrichtungen mit oder ohne Eindüsung in Bezug auf eine Betriebsbedingung (Gas zu Flüssigkeitsverhältnis, Weber-Zahl, Ohnesorge Zahl) eingestellt. Der wesentliche Nachteil jedoch dabei liegt darin, dass die auf diese Weise ausgelegte Zerstäuberdüse auch an die jeweiligen Betriebsbedingungen gebunden ist. Die eingesetzten innenmischenden Zweistoffzerstäubervorrichtungen weisen somit zwar keine Benetzung des Mischkanals (Wandfilmbildung) für diese Betriebsbedingungen auf, sind aber dadurch auch beschränkt einsetzbar. Ihr Einsatzbereich ist also stark von den Betriebsbedingungen abhängig. Änderungen der Betriebsbedingungen, der Stoffeigenschaften, oder die Verwendung einer anderen Flüssigkeit kann sehr schnell dazu führen, dass eine bestimmte Düse für die Zerstäubung ungeeignet ist.

Die Aufgabe der Erfindung liegt ausgehend vom genannten Stand der Technik darin, eine universell einsetzbare Zweistoffzerstäubungsvorrichtung vorzuschlagen, die die vorgenannten Einschränkungen nicht aufweist und insbesondere auch eine Anpassung an sich während eines kontinuierlichen Betriebs sich ändernden Rahmenbedingungen wie z.B. die Vorrichtungstemperatur an der Mischkanalwandung zulässt.

Die Aufgabe wird durch eine Zweistoffzerstäubervorrichtung mit den Merkmalen des ersten Patentanspruchs gelöst. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung liegt in der regelbaren Verstellbarkeit der Eindüsungsöffnung in seiner Geometrie, d.h. in seinem Querschnitt und damit in seiner strömungstechnischen Auslegung. Dies umfasst den radialen Querschnitt und/oder den axialen Querschnitt (Strömungskanalprofil), wobei der Begriff der regelbaren Verstellbarkeit sich in erster Linie auf Veränderungen an der Eindüsungsöffnung konzentriert. Es liegt aber im Rahmen der Erfindung, auch die Maßnahmen der Veränderungen der Strömungsverhältnisse an sich mit in den Begriff der Verstellbarkeit mit einzubeziehen, die durch die hierfür eingesetzten Mittel mit verändert werden, auch wenn sie nicht unmittelbar an der Düsenöffnung angreifen. Hierzu zählt auch eine Änderung der Strömungsverhältnisse (z.B. tubulente und laminare Strömungsbereiche, Sperrströmungen etc.) bei der Gasabzweigung oder bei bestimmten Umlenkungen, die sich natürlich mit dem Gegendruckverhältnissen, einstellbar über die Geometrie der Eindüsungsöffnung, ändern. Ebenso ändert sich je nach Ausführungsform auch der Kanalquerschnitt nicht nur an der Eindüsungsöffnung, sondern auch in der vorgelagerten Gasführung zur Eindüsungsöffnung.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen und folgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen

1 eine seitliche Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform sowie

2 eine seitliche Schnittdarstellung einer alternativen Ausführungsform.

Beide Ausführungsformen der Zweistoffzerstäubervorrichtung umfassen eine Flüssigkeitszufuhr 1 in einem. bevorzugt rohrartigen Flüssigkeitszufuhrgehäuse 2 mit (distalseitigem) Düsenöffnung 3 und ein konzentrisch um die Flüssigkeitszufuhr bzw. des Flüssigkeitszufuhrgehäuse angeordnete Gaszufuhr 4, wobei die Düsenöffnung in der Gaszufuhr endet. In Verlängerung dieser Stoffzusammenführung folgt stromabwärts (distal) der Mischkanal 5, in der sich die vorgenannten Stoffe (Gas und Flüssigkeit) vermischen und über eine (distalseitige) Austrittsöffnung 6 wieder verlassen. Flüssigkeitszufuhr 1, Gaszufuhr 4, Mischkanal 5 und Austrittsöffnung 6 sind bevorzugt um eine Symmetrielinie 7 rotationssymmetrisch. Ferner ist eine konzentrisch zu den vorgenannten Komponenten angeordnete Gasabzweigung 8 vorgesehen, die von der Gaszufuhr 4 vor einer Eingabe der Flüssigkeit, d.h. vor Erreichen der Düsenöffnung 3 abzweigt und in eine ringförmige Eindüsungsöffnung 11 an der Austrittsöffnung 6 ausmündet. In 1 und 2 sind die Gasabzweigungen beispielsweise durch eine Vielzahl von konzentrisch um die Symmetrielinie 7 angeordneten Bohrungen 9 im Mischkanalgehäuse 10 realisiert. Die Eindüsungsöffnung 11 mündet axial und bevorzugt in einem spitzen Winkel, d.h. parallel soweit technisch umsetzbar zur Mischkanalwandung 12 direkt an der und um die Austrittsöffnung 6 aus, wodurch eine Mantelströmung 13 um die über die Austrittsöffnung auftretende zerstäubte Stoffgemisch 14 entsteht (vgl. 1) und die sich an der Mischkanalwandung 12 abgeschiedene Flüssigkeitsfilm mitgerissen wird.

Die Mittel zur Verstellung umfassen eine Hülsenmutter 15 mit Bohrung 16, die über eine Gewinderelativdrehung auf einem Gewinde 17 auf dem Mischkanalgehäuse 10 verstellbar ist.

1 offenbart Mittel, bei denen die Gewindeschraubkappe 15 an seiner Umfangsfläche 19 eine formschlüssig fixier- und bewegbare Profilierung 20 aufweist. Die Profilierung ist vorzugsweise durch eine Verzahnung realisiert, wobei die Verzahnung im Betriebszustand entweder durch eine nicht dargestellte formschlüssig an die Profilierung angreifende Ketten-, Riemen- oder Zahnradanordnung eines Verstellantriebs angetrieben wird. Grundsätzlich eignen sich auch reibschlüssig angreifende Verstellantriebe, wobei jedoch der Reibschluss bei jedem auftretenden Betriebszustand sicherzustellen wäre.

2 zeigt beispielhaft Mittel, bei denen die Gewindeschraubkappe 15 durch ein Gehäuse 18 für alle anderen Komponenten (1 bis 14) der Zweistoffzerstäuberdüse gebildet wird. Im laufenden Betrieb erfolgt eine Verstellung über eine Verdrehung entweder der vorgenannten Komponenten der Zweistoffdüse im feststehenden Gehäuse 18 oder des Gehäuses 18 auf dem Gewinde 17 der ansonsten feststehenden Zweistoffzerstäuberdüse (Komponenten (1 bis 14)).

Die Austrittsöffnung 11 kann mit der Bohrung 16 auf gleicher Ebene liegen (z.B. in 1) oder versetzt angeordnet sein (vgl. 2), wobei ein Wechsel dieser beiden Zustände, die auch maßgeblich die Einströmungsrichtung bestimmt, durch die vorgenannten Mittel während des laufenden Betriebs ermöglichbar ist.

Ziel der neu entwickelten Zweistoffzerstäubervorrichtung ist dessen vom Betriebszustand unabhängige Einsatzmöglichkeit. Eine Auslegung der Ausführungsbeispiele erfolgte nicht hinsichtlich einer Vermeidung der Mischkanalwandungsbenetzung z.B. durch Strömungsoptimierung bei der Zerstäubung, was eine Einschränkung des Einsatzbereiches führen würde, sondern praktisch nur auf die Beseitigung der Benetzung wenn diese als Flüssigkeitstropfen an der Austrittsöffnung auftritt. Dies hat den Vorteil, dass die Erzeugung des eigentlichen zerstäubten Stoffgemisches immer mit gleichen Paramteren erfolgt. Das Grundkonzept der innenmischenden Zweistoffzerstäubervorrichtung mit koaxialer Flüssigkeitsvorlage bleibt dabei erhalten. Der Kern der Erfindung liegt darin, nur einen möglichst geringen und in seinem Volumenstrom während des laufenden Betriebs optimal einstellbaren Teil (ca. 10%, maximal 20%) des Zerstäubungsgases vor dem Mischkanal, d.h. vor dem Kontakt des Gases mit der Flüssigkeit, in einem zu der Austrittsöffnung 11 koaxialen Ringspalt 21 zu führen. Das aus dem Ringspalt austretende Gas kommt außerhalb der Zweistoffzerstäuberdüse in Kontakt mit dem von der Kanalwand abtropfenden Film und reißt ihn auf. Der wesentliche Vorteil dieser Zweistoffzerstäubervorrichtung liegt darin den auftretenden Wandfilm an der Mischkanalwandung auf besonders optimal eingestellt, d.h. effektiv und gleichzeitig wirtschaftlich zu zerstäuben.

1
Flüssigkeitszufuhr
2
Flüssigkeitszufuhrgehäuse
3
Düsenöffnung
4
Gaszufuhr
5
Mischkanal
6
Austrittsöffnung
7
Symmetrielinie
8
Gasabzweigung
9
Bohrung
10
Mischkanalgehäuse
11
Eindüsungsöffnung
12
Mischkanalwandung
13
Mantelströmung
14
zerstäubte Stoffgemisch
15
Gewindescharaubkappe
16
Bohrung
17
Gewinde
18
Gehäuse
19
Umfangsfläche
20
Profilierung
21
Ringspalt


Anspruch[de]
Zweistoffzerstäubervorrichtung für die Zerstäubung einer Flüssigkeit in einem Gasstrom umfassend eine

a) eine Flüssigkeitszufuhr (1) mit Düsenöffnung (3),

b) ein konzentrisch um die Flüssigkeitszufuhr angeordnete Gaszufuhr (4), wobei die Düsenöffnung in der Gaszufuhr endet,

c) einen rotationssymmetrische Mischkanal (5) in axialer Verlängerung zur Flüssigkeitszufuhr mit einer Austrittsöffnung (6),

d) eine konzentrische Gasabzweigung (8) von der Gaszufuhr (4) vor der Düsenöffnung (3) sowie

e) eine ringförmige Eindüsungöffnung (11) an der Austrittsöffnung (6), die an die Gasabzweigung angeschlossen ist,

wobei

f) Mittel zur Verstellung des Querschnitts der Eindüsungsöffnung (11) vorgesehen sind.
Zweistoffzerstäubervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Gasabzweigung (8) durch eine Anzahl konzentrisch verteilter Bohrungen (9) im Mischkanalgehäuse (10) gebildet ist Zweistoffzerstäubervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Mittel eine über eine Gewinderelativdrehung verstellbare Gewindeschraubkappe (15) mit zentraler die Austrittsöffnung (11) bildenden Bohrung (16) konzentrisch auf einem Gewinde (17) auf dem Mischkanalgehäuse (10) umfassen. Zweistoffzerstäubervorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Gewindeschraubkappe (15) durch ein Gehäuse (18) für alle anderen Komponenten der Zweistoffzerstäuberdüse gebildet wird. Zweistoffzerstäubervorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Gewindeschraubkappe (15) an seiner Umfangsfläche (19) eine formschlüssig fixier- und bewegbare Profilierung (20) aufweist.






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