DE19812241A1 - Flüssigkeitszerstäuber für zu zerstäubende Flüssigkeit - Google Patents

Abstract

Beschrieben wird ein Flüssigkeitszerstäuber (1) mit einer Mischkammeraustritte (4) aufweisenden Mischkammer (2), in welcher Vorlagen (3) für zu zerstäubende Flüssigkeit münden. Vorgeschlagen wird, daß mehrere, bevorzugt alle Mischkammeraustritte (4) in zumindest im wesentlichen koaxialer Verlängerung jeweiliger Flüssigkeitsvorlagen (3) angeordnet sind. Bevorzugt sind alle Flüssigkeitsvorlagen als Vorlagekanäle, die für die Ausbildung definierter, auf die Mischkammeraustritte gerichteter und insbesondere feinskalige Oberflächenstörungen aufweisender Flüssigkeitsstrahlen dimensioniert und angeordnet sind. Die Mischkammeraustritte können als Kanäle mit solcher Länge gebildet sein, daß sich im vorgesehenen Druck- und Viskositätsbetriebsbereich der zerstäubende Strahl bis dicht an die Austrittsöffnung heran verbreitert, aber noch in allenfalls vernachlässigbaren Wandkontakt tritt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Flüssigkeitszerstäu­ ber mit einer Mischkammeraustritte aufweisenden Mischkammer, in welcher Vorlagen für zu zerstäubende Flüssigkeit münden.

Flüssigkeitszerstäuber werden in der Technik bei einer Viel­ zahl von Anwendungen eingesetzt, insbesondere bei der Lackie­ rung, in Brennern zur Zerstäubung flüssiger Brennstoffe sowie in Gas-Wäschern, wo unerwünschte Bestandteile aus einem Gas wie zur Rauchgasentschwefelung in eine flüssige Phase ausgewa­ schen werden sollen, bei der Luftbefeuchtung, der Ausbringung von Wirkstoffen in der Landwirtschaft, der Kühlung von Walz­ produkten in der Stahlindustrie usw.

Regelmäßig ist dabei eine möglichst feine Zerstäubung unter Vermeidung großer Tropfen erwünscht. Bei der Lackierung ver­ mindern große Tropfen die erzielbare Lackqualität und in Gas- Wäschern haben sie nicht nur ein ungünstigeres Verhältnis von Tröpfchen-Oberfläche zu Tröpfchen-Volumen mit entsprechend verringerter Auswascheffizienz zur Folge, sondern führen zudem aufgrund ihrer Trägheit und der langen Verdunstungszeiten zu Wandkontakten und in Konsequenz Verkrustungen in den Wäschern. In Brennern sollen Tropfen beim Eintritt in die Brennkammer zunächst in der dafür vorgesehen Temperaturzone verdampfen und dann die durch Verdampfung freigesetzten Kohlenwasserstoffe möglichst vollständig oxidiert werden, was bei zu großen Trop­ fen wegen der entsprechend erhöhten Verdampfungszeiten nicht möglich ist; hier erfolgt die Verdampfung nicht in den jeweils vorgesehenen Temperaturzonen und es finden zum Teil Crackvor­ gänge in den zu langsam verdampfenden großen Tropfen statt. Dies bedingt unerwünschte Emissionen unverbrannter Kohlenwas­ serstoffe, Kohlenmonoxid sowie die Bildung von Rußkoks und verringert die Effizienz des Brenners.

In der Technik sind verschiedene Zweistoff-Zerstäuber bekannt. Es wird insbesondere unterschieden zwischen Hochdruck- und Niederdruck-Zerstäubern. In Niederdruck-Zerstäubern wird Flüs­ sigkeit mit einem großen, aber niedrig komprimierten Gasstrom zerstäubt, der etwa einen Überdruck von beispielsweise 20-200 millibar besitzt. Bei Hochdruckzerstäubern wird das Fluid, üb­ licherweise eine Flüssigkeit, vermittels eines auf einen Druck von typisch 1-20 bar hochkomprimiertem Gas zerstäubt, wobei der Gasmassenstrom üblicherweise nur 5-40% des Flüssigkeits­ massenstromes beträgt. Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit den letzteren Zerstäubern, welche als Zerstäubungshilfsme­ dien hochkomprimierte Gase verwenden.

Für derartige Zerstäuber sind verschiedene Bauformen gebräuch­ lich.

Eine Bauform, in welcher eine einzelne Düse koaxial auf eine konvergente Austrittsöffnung geführt ist, durch welche zu­ gleich unter Druck stehende Luft aus einer die Düse ringförmig umgebenden Kammer tritt, ist aus Nukiyama S., Tanasawa Y., An Experiment on the Atomization of Liquid by Means of an Air Stream, Transactions of the Society of Mechanical Engineers, S. 68-75, 1939, Bd. 5, Nr. 18 bekannt.

Eine weitere Bauform ist der sogenannte Y-Zerstäuber, wie er etwa in Mullinger und Chigier, J. Inst. Fuel, Band 47 (1974) beschrieben ist. Bei derartigen Y-Zerstäubern wird die zu zer­ stäubende Flüssigkeit durch eine Vorlagebohrung in einen mit hoher Geschwindigkeit von dem Zerstäubungshilfsmedium durch­ strömten Austrittskanal gegeben und in Richtung auf den Zer­ stäuberaustritt umgelenkt. Eine optimale Zerstäubung kann mit derartigen Y-Zerstäubern nur erreicht werden, wenn das Gas den Flüssigkeitsstrahl genau auf die Achse der Austrittsboh­ rung ablenkt. Bei zu kleinen Flüssigkeitsströmen dringt die Flüssigkeit nicht tief genug in die Luftströmung ein, was die Bildung eines Wandfilmes auf der Eintrittsseite zur Folge hat; bei zu großen Flüssigkeitsströmen trifft dagegen ein Teil der Flüssigkeit auf die gegenüberliegende Wand, so daß auch hier ein Wandfilm gebildet wird. Der Wandfilm kann außerhalb der Düse aufgrund der dort vorliegenden, vergleichsweise niedrigen Fluid-Zerstäubermedium-Relativgeschwindigkeiten nicht hinrei­ chend zerstäubt werden, so daß große Tropfen entstehen. Zu­ gleich führt die Filmbildung, also das Auftreffen der Flüssig­ keit auf die Wand mit hoher Geschwindigkeit, bei der Zerstäu­ bung schleißender Medien zu Abrasion. Demgemäß ist der Betrieb eines Y-Zerstäubers nur in einem engen Durchsatzbereich in op­ timaler Weise möglich.

Aus der EP 0 198 810 A1 ist eine Zerstäuberdüse bekannt, in welcher Luft durch eine mit zu zerstäubender Flüssigkeit ge­ füllte Kammer geblasen wird und in koaxialer Fortsetzung der Luft-Einblasrichtung ein Zerstäuberaustritt vorgesehen ist. In der EP 0 198 810 A1 wird beschrieben, daß bei einer derartigen Anordnung ohne weitere Maßnahmen Bereiche um die Austrittsöff­ nung herum auftreten, in welchen sich Rückmischwirbel bilden, was in der Praxis zur Folge hat, daß sich in der zu zerstäu­ benden Flüssigkeit gelöste oder suspendierte Teilchen nahe der Austrittsöffnung sammeln. Es wird daher in der EP 0 198 810 vorgeschlagen, einen Luftstrom um die Austrittsöffnung herum vorzusehen, was einerseits den konstruktiven Aufwand und ande­ rerseits den Luftbedarf erhöht.

Weiter sind in der Technik sogenannte Mischkammerzerstäuber bekannt. In diesen wird in einer Mischkammer innerhalb des Zerstäubers ein Zwei-Phasengemisch aus dem zu zerstäubenden Fluid und dem Zerstäubungshilfsmedium erzeugt. Das Zwei- Phasengemisch aus Fluidtröpfchen und Zerstäubungshilfsmedium wird dann unter Nachzerstäubung aus der Mischkammer entladen. Wenn die Anwendung große Massenströme oder einen Sprühwinkel erfordert, welcher größer als der mit einer einzelnen Öffnung erzielbare Sprühwinkel (von etwa 18°Grad Öffnungswinkel in der Seitenprojektion) ist, können mehrere Bohrungen vorgesehen werden.

Ein Mischkammerzerstäuber ist aus der EP 0 182 175 A2 bekannt. Dort wird eine Flüssigkeit senkrecht mit Zerstäuberfluid ange­ strömt und so zerstäubt. Das zerstäubte Medium wird aus der Mischkammer über eine Verteilerkappe entladen. Es bildet sich eine Fluid-Wandfilmströmung in den Austrittsbohrungen. Die Flüssigkeit des Wandfilms wird dann nach dem Entladen aus der Mischkammer nicht mehr optimal zerstäubt, da am Strahlrand die Strömungsgeschwindigkeit des Zerstäubungshilfsmediums nur ge­ ring ist. Die niedrige Geschwindigkeit des mit dem Wandfilm in Berührung tretenden Zerstäubungsgases hat die Bildung von im Vergleich zur mittleren Tropfengröße sehr großen und somit un­ erwünschten Tropfen zur Folge.

In einem weiteren bekannten Zerstäuber (EP 0 278 115 B1) wird aus einer zentralen Fluidvorlage ein Fluidstrom in eine Misch­ kammer geleitet, wo er auf die gegenüberliegende Wand prallt. Dies erzeugt ein Zwei-Phasengemisch mit zunächst großen Trop­ fen, d. h. ein grobes Spray, welches mittels 20-30% des Gesamt- Luftstromes durch Mischkammeraustrittsöffnungen geführt wird, in einem weiteren Hohlraum mit dem restlichen Zerstäubungs­ hilfsmedium nachzerstäubt wird und dann durch eine Zerstäuber- Austrittsöffnung entladen wird. Daß die Vorlage der zu zerstäu­ benden Flüssigkeit in die erste Mischkammer zentral erfolgt und ein Teil des Flüssigkeitsstrahles direkt auf eine gegen­ überliegende Mischkammer-Innenwand prallt, hat einen erhöhten Mischkammer-Wandverschleiß insbesondere bei der Zerstäubung abrasiver Flüssigkeiten, wie etwa Festkörperpigmente enthal­ tender Lacke, zur Folge und erfordert zugleich einen großen Strahlimpuls zur Aufprall-Vorzerstäubung. Bei sehr kleinen Flüssigkeitsströmen ist der Aufprallimpuls zu klein für eine ausreichende Vor-Zerstäubung, während bei sehr großen Strömen ein hoher Flüssigkeitsvordruck verwendet werden muß. Dies engt den nutzbaren Bereich an Flüssigkeitsströmen stark ein. Nach­ teilig ist zudem, daß insbesondere hochviskose Flüssigkeiten in der Innenkammer nicht hinreichend vorzerstäubt werden kön­ nen. Auch ändert sich, da die innere und die äußere Mischkam­ mer durch Bohrungen kommunizieren, die Aufteilung der Luft auf die innere und äußere Mischkammer, sobald sich bedingt durch Variationen des Flüssigkeitsstromes die Druckverluste für die beiden Teilströme ändern. Dies beschränkt den Nutzbereich gleichfalls.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Neues für die gewerbliche Anwendung bereit zu stellen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Flüssigkeitszerstäuber nach Anspruch 1.

Mit einer derartigen Ausbildung, in welcher die Flüssigkeit nicht umgelenkt werden muß und im Weg des Flüssigkeitsstrahls keine Wandflächen angeordnet sind, wird die Bildung eines Wandfilmes, die große Tropfen zur Folge hätte, effizient redu­ ziert bzw. sogar vollständig vermieden. Zugleich muß die Flüs­ sigkeit nicht nach einem Wandaufprall und womöglich aus einem Wandfilm heraus erneut beschleunigt werden, was die zum Be­ trieb des Zerstäubers erforderliche, als Kompressionsenergie des Zerstäubungshilfsmediums bereitzustellende Hilfsenergie in vorteilhafter Weise verringert. Der Umstand, daß erfindungsge­ mäß die Flüssigkeit nicht umgelenkt werden muß, sondern allge­ mein auf der vorgegebenen Vorlage-Richtung aus der Mischkammer entladen wird, erlaubt den Betrieb des Flüssigkeitszerstäubers in einem weiten Bereich an Flüssigkeitsmassenströmen, wobei selbst bei kleinem Massestromverhältnis von Zerstäubungshilfs­ medium-Strom zu Flüssigkeits-Strom eine gute Zerstäubung er­ reicht wird.

Erfindungsgemäß ist es dabei nicht erforderlich, eine exakt koaxiale Ausrichtung von Fluidvorlage und Mischkammeraustritt vorzusehen, obwohl eine solche ein erfindungsgemäßes Funktio­ nieren der Anordnung gewährleistet. Die Anforderungen insbe­ sondere bei der Herstellung sind jedoch dadurch entspannt, daß es erfindungsgemäß ausreicht, wenn der Mischkammeraustritt "getroffen" wird, wobei zugleich auch ein geringer Winkelfeh­ ler von bis einem oder allenfalls wenigen Grad auftreten darf. Dies wird im Sinne der vorliegenden Erfindung noch unter zu­ mindest im wesentlichen koaxialer Verlängerung verstanden. Der Viskositätsbereich der verwendbaren, zu zerstäubenden Medien ist groß und darüber hinaus wird, durch die zumindest weitge­ hende Vermeidung von Wandkontakt, Abrasion am Düsenkörper ver­ ringert, was besonders dann relevant wird, wenn die zu zer­ stäubende Flüssigkeit eine Suspension ist, in welcher abrasive Partikel enthalten sind, wie dies etwa bei Lacken der Fall sein kann.

Wenn alle Flüssigkeitsvorlagen als Vorlagekanäle gebildet sind, die für die Ausbildung definierter, auf die Mischkammeraus­ tritte gerichteter Flüssigkeitsstrahlen dimensioniert und an­ geordnet sind, lassen sich die Strahlen besonders gut zerstäu­ ben. Die kanalartige Ausbildung sorgt für das Zustandekommen eines jeweiligen Strahles, der in der Mischkammer zunächst nur der eigentlichen Mischung unterworfen wird, d. h. die Flüssig­ keit und das Zerstäubungshilfsmedium gelangen nebeneinander, ohne daß bereits eine Zerstäubung erfolgen müßte. Diese kann dann in den Mischkammeraustritten stattfinden.

Die Zerstäubung wird weiter begünstigt, wenn durch die Vorla­ genkanalbemaßung feinskalige Oberflächenstörungen auf den Flüssigkeitsstrahlen auftreten, an welchen aerodynamische Kräfte leicht angreifen können, um die Zerstäubung von dort fortschreitend zu bewirkend. Die gewünschten Oberflächenstö­ rungen treten bei turbulenter Strömung in den Vorlagekanälen auf.

Das bevorzugte Verhältnis von Länge zu Durchmesser der Vorla­ gekanäle beträgt mindestens 2, bevorzugt über 3 und insbeson­ dere zwischen 5 und 10. Bei bezogen auf die Querschnittsfläche zu kurzem Vorlagekanal, also bis zu einem Verhältnis von ca. zwei, kann kein auf den Mischkammeraustritt gerichteter Strahl erzeugt werden. Ein Verhältnis zwischen 3 und 5 begünstigt die Strahldefinition weiter. Ein darüber ansteigendes Verhältnis führt zu einem zu großen Druckabfall im Vorlagenkanal, was un­ erwünscht ist. Daher sollte das Verhältnis den Faktor zehn nicht wesentlich übersteigen.

Vorlagekanäle und Mischkammeraustritte sind einander bevorzugt paarweise in erfindungsgemäß zumindest im wesentlichen koaxia­ ler Verlängerung zugeordnet, so daß der Vorteil der erfin­ dungsgemäßen Anordnung mit allen Flüssigkeitsvorlagen und al­ len Mischkammeraustritten erhalten wird. Dabei können alle Flüssigkeitsvorlagen in einer gemeinsamen Mischkammer münden, um den Aufbau zu vereinfachen. Statt dessen wären aber auch mehrere Mischkammern einsetzbar, mit z. B. einem jeweils unter­ schiedlichen Druckniveau für einen jeweils unterschiedlichen Durchsatz oder zum Einsatz unterschiedlicher Zerstäubungs­ hilfsmedien wie Dampf, Druckluft, Sauerstoff, Inertgas usw. in unterschiedlichen angesprühten Bereichen.

Die Gesamtzustromfläche für die Einführung von Zerstäubungs­ hilfsmedium in die Mischkammer kann mehrfach, insbesondere we­ nigstens dreifach so groß wie die gesamte Mischkammeraus­ trittsfläche sein, was zu einer ruhigen, allenfalls wenig tur­ bulenten Zerstäubermediumströmung in der Mischkammer genauso beiträgt wie die Aufteilung des Zustromes auf mehrere Misch­ kammer-Zustromöffnungen. Störende und den Flüssigkeitsstrom ablenkende Gaswirbel in der Mischkammer werden so verringert oder vollständig vermieden, mit Vorteilen für die Zerstäubung. Der Strömungswiderstandsbeiwert der Zuführungen kann auf einen gewünschten Wert angepaßt werden; zur optimalen Ausnutzung der Druckenergie des Zerstäubungshilfsmediums, die nur durch teure Kompression erreicht werden kann, sollte der Widerstand zwar verschwindend klein sein; ein Mindestwiderstand ist oft den­ noch erwünscht, um bei variablem Flüssigkeitsdurchsatz und konstantem Gasvordruck den Gasdurchsatz zu begrenzen.

Baulich bevorzugt ist eine der Mischkammer vorgeschaltete Ver­ teilerkammer, die wiederum an eine einzige oder mehrere Druck­ gasleitungen angeschlossen sein kann.

Die Mischkammeraustritte sind bevorzugt als Kanäle mit solcher Länge gebildet, daß sich im vorgesehenen Druck- und Viskosi­ tätsbetriebsbereich der zerstäubende Strahl bis dicht an die Austrittsöffnung heran verbreitert, aber noch in allenfalls vernachlässigbaren Wandkontakt tritt. Dies gewährleistet eine optimale Ausnutzung der Kompressionsenergie des Zerstäubungs­ hilfsmediums. Die Strahlverbreiterung kann durch einfache Ver­ suche mit Standardmitteln untersucht werden. Wenn die Misch­ kammeraustritte als Kanäle gebildet sind, ist der Abstand zwi­ schen Flüssigkeitsvorlagemündung und zugeordnetem Mischkam­ meraustritt bevorzugt mindestens doppelt so groß wie der Durchmesser des Mischkammeraustrittskanals, was wiederum zu einer gleichmäßigen Luftströmung in der Mischkammer beiträgt.

Erfindungsgemäß sind eine Mehrzahl von Mischkammeraustritten zur Erzielung eines großen Sprühwinkels vorgesehen, was eine gleichbleibend gute Zerstäubungsqualität unabhängig von den realisierten Sprühwinkeln ergibt. Werden mehrere koaxiale Ein­ zelstrahlen außerhalb der Mischkammer zu einem Gesamtstrahl vereinigt, ist eine größere Reichweite erzielbar als mit Ein­ zelstrahlen, was insbesondere bei der Quereindüsung eines Sprays oder dergl. in große Strömungskanäle vorteilhaft sein kann.

Flüssigkeitsvorlagemündungen und/oder die Mischkammeraus­ trittskanäle und/oder die Zustromöffnungen können rund, also einfach als Bohrlöcher realisiert sein, obwohl dies nicht zwingend ist.

Die Mischkammer ist bevorzugt für einen Betriebsdruck von über 1 bar, wenigstens 2,5 bar ausgelegt, was den Betrieb über ei­ nen weiten Bereich ermöglicht; dabei wurden in einem prakti­ schen Ausführungsbeispiel oberhalb von zwei bar Betriebsdruck keine Störungen der Zerstäubung mehr beobachtet.

Auch wenn der Flüssigkeitszerstäuber eine Vorrichtung zum feinperligen Einbringen kleiner Gasvolumina in die zu zerstäu­ bende Flüssigkeit vor der Vorlage in die Kammer aufweist, tritt aus der Vorlagemündung immer noch ein klar definierter und unzerstäubter Strahl aus. Das Einperlen kleinster Gasmen­ gen führt nämlich nicht zur Zerstäubung des in die Mischkammer vorgelegten Strahles, sondern lediglich zu einem Strahl mit gestörter Oberfläche, der leicht zerstäubt werden kann.

Im Flüssigkeitszerstäuber können Flüssigkeitsvorlageöffnungen und die Mischkammer-Entlade-Austrittsöffnungen relativ zueinan­ der justierbar sein. Dazu können alle Flüssigkeitsvorlagen auf einer gemeinsamen Flüssigkeitszufuhr angeordnet werden, die innerhalb des Flüssigkeitszerstäubers in der oder den ge­ wünschten Richtungen relativ zu allen Mischkammeraustritten justierbar befestigt ist. Es werden auch mit einem leicht de­ justierten Zerstäuber nach der Erfindung befriedigende Ergeb­ nisse erzielt.

Die Erfindung wird im folgenden nur beispielsweise an Hand der Zeichnung beschrieben. In dieser zeigt die

Fig. 1 einen Flüssigkeitszerstäuber gemäß der vorliegenden Erfindung.

Nach Fig. 1 umfaßt ein erfindungsgemäßer Flüssigkeitszerstäu­ ber 1 ein äußeres, um eine Zentralachse 8 allgemein symmetri­ sches und etwa becherförmiges Zerstäubergehäuse 6, in welches vom offenen Ende her eine Flüssigkeitszuführung 5 koaxial zur Zentralachse 8 eingeschoben ist.

Die Flüssigkeitszuführung 5 ist zum Transport des zu zerstäu­ benden Fluids, d. h. der zu zerstäubenden Flüssigkeit, Flüssig­ keitsdispersion usw. als Hohlrohr mit zentraler Bohrung gebil­ det und vermittels eines äußeren Schraubgewindes 5a in ein passendes zentrales Gewindeloch 9a einer Bodenplatte 9 einge­ schraubt. Die Bodenplatte ist wiederum druckdicht mit dem Zer­ stäubergehäuse 6 verbunden, etwa durch eine Verschraubung, wie bei 11 durch ein Schraubengewinde angedeutet.

Die Flüssigkeitszuführung 5 liegt mit einer Verdickung 5b be­ nachbart ihres stromabwärtigen Endes unter axialer Ausrichtung in dem Zerstäubergehäuse 6 an der Innenwand 6a desselben um­ laufend und dichtend, etwa durch exakte Passung, an. So trennt die Verdickung 5b einen vom Zerstäubergehäuse 6 und der Bodenplatte 9 umfaßten Hohlraum 7 in eine untere ringförmige Verteilerkammer 7 und eine austrittsseitige obere Mischkammer 2. Zwischen der Zuführungsverdickung 5b und der axial in Ein­ schubrichtung liegenden Innenwand des Zerstäubergehäuses bleibt bevorzugt ein Freiraum oder Spalt 5d, so daß die gesam­ te Mischkammer 2 als ein durchgehender Raum gebildet ist.

An der Mischkammer 2 sind eine Vielzahl Mischkammeraustritte 4a, 4b angeordnet, die als langgestreckte, runde Bohrungskanä­ le gebildet sein können.

In die Verteilerkammer 7, die als Zerstäuberhilfsmedium- Verteilerkammer dient, münden ein oder mehrere Zerstäubungs­ hilfsmedium-Einlässe 10 nahe des Zerstäubergehäuse-Bodens.

In der Verdickung 5b verlaufen parallel zur Zentralachse 8, aber von dieser beabstandet, als Zustromöffnungen für Zerstäu­ bungshilfsmedium dienende Gaskanäle 5c, die eine Verbindung zwischen der durch die Verdickung 5b und die Zerstäubergehäu­ sewand 6a definierten oberen Mischkammer 2 und der unteren Verteilerkammer 7 vorsehen. Die Gesamtquerschnittfläche der Gaskanäle 5c ist vorzugsweise zumindest doppelt so groß wie die Gesamtquerschnittsfläche aller Mischkammeraustritte 4 und beträgt bevorzugt mehr als das dreifache. Die Fläche kann sich gleichmäßig auf eine Vielzahl von Zustromöffnungen verteilen und es kann für jede Flüssigkeitsvorlage 3 ein separater Gas­ kanal 5c vorgesehen sein. Die Zustromöffnungen können einen erwünschten Minimalwiderstand zur Gasdurchsatzlimitierung bei konstantem Gasdruck, aber variablem Flüssigkeitsdurchsatz vor­ sehen.

Erfindungsgemäß sind in der Verdickung 5b der Flüssigkeitszu­ fuhr 5 eine Mehrzahl zur zentralen Bohrung des Hohlrohres füh­ render Bohrungen 3a, 3b angeordnet, durch welche sich die über Zuführung 5 zugeführte Flüssigkeit in die Mischkammer 2 ent­ lädt; die Bohrungen 3a, 3b dienen dabei als Flüssigkeitsvorla­ gen 3, die dem in die Mischkammer 2 eintretenden Flüssigkeits­ strahl eine durch ihre geometrische Ausrichtung bestimmte Strahlrichtung verleihen. Die Anstellwinkel der Flüssigkeits­ vorlagen zur Zentralachse 8 könne gruppenweise gleich sein.

Die Flüssigkeitsvorlagen 3 sind so bemaßt, daß die Flüssigkeit als definierter Strahl in die Mischkammer vorgelegt wird, der bevorzugt insbesondere feinskalige Oberflächenstörungen auf­ weist. Dazu weisen sie ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser auf, das größer als zwei ist. Bevorzugt ist die Länge der Boh­ rungen 3 zumindest fünfmal so groß wie die jeweilige lichte Weite.

Die Flüssigkeitsvorlagen 3 sind so angeordnet, daß sie auf die Mischkammeraustritte gerichtet sind. Dazu sind die Bohrungen 3 im wesentlichen koaxial zu jeweiligen Mischkammeraustritten 4 ausgerichtet. Die Anstellwinkel beider Bohrungen 3 und 4 zur Zentralachse 8 sind dazu bis auf allenfalls wenige Grad Abwei­ chung identisch.

Die Mischkammeraustritte 4 weisen einen vorzugsweise zumindest geringfügig größeren Durchmesser auf als die Flüssigkeitsvor­ lagen 3 und können sich gegebenenfalls etwa kegelförmig nach außen erweitern. Die Länge der Mischkammeraustritte 4 ist so gewählt, daß im vorgesehenen Druck- und Viskositätsbetriebsbe­ reich der zerstäubende Strahl sich bis dicht an die Aus­ trittsöffnung heran verbreitert, aber noch in allenfalls ver­ nachlässigbaren Wandkontakt tritt. Ihre geometrische Anordnung bestimmt sich nach der gewünschten Massestromdichteverteilung des Sprays.

Der Abstand zwischen einer Flüssigkeitsvorlage 3 und ihrem zu­ gehörigen Mischkammeraustritt 4 sollte nach Möglichkeit nicht mehr als das zehnfache der lichten Weite des Vorlagedurchmes­ sers betragen, damit eine Zerstäubung durch einsetzende Stö­ rung des Freistrahls nicht schon in der Mischkammer signifi­ kant wird. Der Abstand sollte aber bevorzugt größer als zwei sein.

Der Flüssigkeitszerstäuber 1 und somit insbesondere das Zer­ stäubergehäuse 6, die Zuführung 5, die Bodenplatte 9 und ihre druckfeste Anbringung an dem Zerstäubergehäuse 6 sind für die gewählten Betriebsdrücke von Flüssigkeit und Gas dimensio­ niert.

Der Flüssigkeitszerstäuber gemäß der vorliegenden Erfindung wird wie folgt betrieben.

Zunächst wird die Zuführung 5 von oben in die Bodenplatte 9 geschraubt und anschließend damit an dem Zerstäubergehäuse 6 etwa vermittels mehrerer Schrauben, angedeutet bei 11, druck­ fest angebracht.

Die Bohrungen 3 in der als Zuführungskopf dienenden Verdickung 5b werden dann durch Ein- bzw. Ausdrehen der Zuführung 5 in dem dem Gewinde 5a zugeordneten Gewindeloch möglichst genau koaxial mit respektiven Mischkammeraustritten 4 ausgerichtet. Der zwischen der Zuführungsverdickung 5b und der Gehäusewan­ dung in Einschubrichtung vorhandene Spalt gibt hierbei die Möglichkeit, eine derartige Justierung vorzunehmen. Nach er­ folgter Justierung kann an Gewinde 5a eine Kontermutter (nicht gezeigt) oder dergleichen zur Fixierung gegen die Bodenplatte 9 angebracht werden.

Dann werden mit einer Druckgasquelle verbundene Druckgaslei­ tungen in die dafür vorgesehenen Gewinde 10 des Zerstäuberge­ häuses 6 geschraubt und die Zuführung 5 mit einem Druckvorrat der zu zerstäubenden Flüssigkeit verbunden.

Anschließend läßt man unter Druck gesetztes Gas, insbesondere mit einem Betriebsdruck von 2-10 bar als Zerstäubungshilfsme­ dium in die Verteilerkammer 7 unterhalb der Zuführungsverdic­ kung 5b strömen. Von dort tritt es durch die Zustromöffnungen 5c in die Mischkammer 2 ein und entlädt sich aus der Mischkam­ mer 2 durch die Mischkammeraustrittsöffnungen 4a, 4b.

Zugleich wird zu zerstäubende Flüssigkeit durch die Zuführung 5 und die nachgeschalteten Fluidvorlagen 3a, 3b in die Misch­ kammer 2 gepreßt. Dabei bilden sich jeweilige Flüssigkeits­ strahlen aus, deren Oberfläche vorzugsweise feinskalig gestört ist.

Die Flüssigkeit ist in der Mischkammer unmittelbar von dem gleichfalls in Richtung der Mischkammeraustritte strömenden Gas umgeben und strömt mit diesem als Freistrahl ohne Rich­ tungsänderung in die Mischkammeraustrittskanäle, wobei es dank geeigneter geometrischer Dimensionierung nicht zu praktisch signifikanten Kontakten zwischen dem zu zerstäubenden Fluid und der Wand kommt.

Im Mischkammeraustrittskanal greift das Zerstäubungshilfsmedi­ um an dem Strahl an und zerstäubt diesen. Die Länge des Misch­ kammeraustrittskanals gewährleistet dabei eine optimale Aus­ nutzung der Kompressionsenergie bei gleichzeitig zumindest im wesentlichen weitgehender Vermeidung von Wandkontakten.

Zugleich wird die Kompressionsenergie des Zerstäubungshilfsme­ dium optimal zur Zerstäubung genützt. Die oben angegebene Di­ mensionierung der Mischkammer sorgt für eine so niedrige Strö­ mungsgeschwindigkeit des Zerstäubungshilfsmediums in der Mischkammer, daß eine Vorzerstäubung weitgehend vermieden wird und die Mischkammer hauptsächlich der Verteilung des Zerstäu­ bungshilfsmediums dient. Der eigentliche Zerstäubungsvorgang findet in den Mischkammeraustritten statt, ohne daß ein Wand­ film beschleunigt werden muß. Dennoch ist der Zerstäubungsvor­ gang bei Austritt aus den Mischkammeraustritten erfindungsge­ mäß weitgehend abgeschlossen.

Es wird ein fein zerstäubter Strahl ohne große Tröpfchen er­ halten.

Dabei sind die Sprühergebnisse stets ausgesprochen zufrieden­ stellend; da die Flüssigkeit nicht umgelenkt wird, ist der er­ findungsgemäße Zerstäuber ohne weiteres in einem großen Flüs­ sigkeits-Viskositätsbereich sowie über einen stark variieren­ den Flüssigkeitsdurchsatz anwendbar.

Versuche mit Prototypen für Durchsätze zwischen 20 und 1800 kg/h Durchsatz haben ergeben, daß mit dem erfindungsgemäßen Zerstäuber auch noch im dejustierten Zustand eine Tröpfchen­ größenverteilung erhalten werden kann, in welcher große Trop­ fen zumindest so gut vermieden werden wie mit herkömmlichen Zerstäubern. Bei grober Dejustierung treffen die Flüssigkeits­ strahlen zwar nicht exakt auf die Austrittsbohrungen, sondern auf die Wand zwischen den Bohrungen, so daß ein Betrieb wie bei einem herkömmlichen Mischkammerzerstäuber vorliegt. Es er­ gibt sich aber dann wenigstens eine Zerstäubung wie bei her­ kömmlichen Zerstäubern. In justiertem Zustand erzeugt der er­ findungsgemäße Zerstäuber hingegen ein Spray, welches deutlich feiner ist und in welchem vor allem große Tropfen in weit grö­ ßerem Umfang als bislang mit dem Stand der Technik möglich vermieden werden. Auch bei hohen Flüssigkeitsdurchsätzen kann das Auftreten großer Tropfen besser als mit Vorrichtungen nach dem Stand der Technik vermieden werden. Gleichzeitig ist zur Erzielung einer geforderten Zerstäubungsqualität ein geringe­ rer Strom an Zerstäubungshilfsmedium erforderlich als mit Zer­ stäubern nach dem Stand der Technik.

Es konnte gezeigt werden, daß mit einem kleinen Zerstäuber nach der Erfindung für einen Durchsatz von bis zu 100 kg/h beim Einsatz zur Brennstoffzerstäubung in Brennkammern im Vergleich zu kommerziellen Zerstäubern deutlich verringerte Schadstoffemissionen erzielt wurden.

Trotz dieser Vorteile ist der erfindungsgemäße Zerstäuber ein­ fach und kostengünstig zu fertigen. Wenn Flüssigkeiten mit schleißenden Partikeln zerstäubt werden sollen, kann anders als im Stand der Technik auf den Einsatz kostspieliger, sehr harter oder zumindest aufwendig gehärteter Werkstoffe, die sonst zur Verlängerung des Düsenkörper-Lebens erforderlich wä­ ren, verzichtet werden, was die Fertigung weiter verbilligt. Die erfindungsgemäße Flüssigkeitszerstäuberanordnung ist zudem flexibel für eine Vielzahl von Sprühgeometrien einsetzbar, wo­ bei den für eine Vielzahl von für die jeweilige Sprühgeometrie erforderlichen Mischkammeraustritten koaxiale Flüssigkeitsvor­ lagen zugeordnet sind. Dabei ist es nicht zwingend, für alle Vorlagen und Austritte den gleichen Massestrom vorzusehen.

Obwohl ein Ausführungsbeispiel mit einer einzelnen Mischkammer beschrieben wurde, sind erfindungsgemäß auch Anordnungen mit mehreren Mischkammern, etwa zum Vorsehen unterschiedlicher Drücke und/oder Zerstäubungshilfsmedien, möglich. Es ist wei­ ter möglich, mehrere Fluidzuführungen für unterschiedliche Massenströme und/oder unterschiedliche Fluide vorzusehen.

Es versteht sich, daß die Anzahl und geometrische Anordnung der Sprühstrahlen und somit die erzielte Sprühdichte bei dem innenmischenden Zweistoffzerstäuber nach der vorliegenden Er­ findung frei wählbar sind, ohne daß vom offenbarten Prinzip der individuellen koaxialen Einzelstrahlvorlage des Fluids für jede Austrittsöffnung aus der Mischkammer des Zerstäubers ab­ gewichen werden muß.

Anstelle von zylindrischen Bohrlöchern können jedwede anders gestalteten Durchlässe verwendet werden, wobei auch bevorzugt das oben beschriebene Verhältnis von lichter Weite zu Länge des Durchlasses eingehalten wird.

Bei im Vergleich zu den Fluidzuführungen hinreichend großen Mischkammeraustritten wird eine zumindest im wesentlichen koa­ xiale Verlängerung im Sinne der Erfindung auch dann noch er­ reicht, wenn mehrere Fluidzuführungen in einem Mischkammeraus­ tritt münden, sofern sie dort hinein treffen.

Weiter ist es möglich, in die Flüssigkeit feindispers Gase vor der eigentlichen Zerstäubung einzuperlen, um einen leicht zer­ stäubbaren Strahl zu erhalten.

Claims (13)

1. Flüssigkeitszerstäuber (1) mit einer Mischkammeraustritte (4) aufweisenden Mischkammer (2), In welcher Vorlagen (3) für zu zerstäubende Flüssigkeit münden, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mehrere, bevorzugt alle Misch­ kammeraustritte (4) in zumindest im wesentlichen koaxialer Verlängerung jeweiliger Flüssigkeitsvorlagen (3) angeord­ net sind.

2. Flüssigkeitszerstäuber (1) nach dem vorhergehenden An­ spruch, worin mehrere, bevorzugt alle Flüssigkeitsvorlagen als Vorlagekanäle gebildet sind, die für die Ausbildung definierter, auf die Mischkammeraustritte gerichteter und insbesondere feinskalige Oberflächenstörungen aufweisender Flüssigkeitsstrahlen dimensioniert und angeordnet sind.

3. Flüssigkeitszerstäuber (1) nach dem vorhergehenden An­ spruch, dadurch gekennzeichnet, daß Vorlagekanäle (3) und Mischkammeraustritte (4) einander paarweise in zumindest im wesentlichen koaxialer Verlängerung zugeordnet sind.

4. Flüssigkeitszerstäuber (1) nach dem vorhergehenden An­ spruch, worin Vorlagekanäle (3) ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser von mindestens 2, bevorzugt über 3 und ins­ besondere zwischen 5 und 10 aufweisen.

5. Flüssigkeitszerstäuber (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin alle Flüssigkeitsvorlagen (3a, 3b) in ei­ ner gemeinsamen Mischkammer (2) münden.

6. Flüssigkeitszerstäuber (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Gesamtzustromfläche für die Einfüh­ rung von Zerstäubungshilfsmedium in die Mischkammer mehr­ fach, insbesondere wenigstens dreifach so groß wie die ge­ samte Mischkammeraustrittsfläche ist und/oder einen be­ stimmten minimalen Strömungswiderstandsbeiwert besitzen.

7. Flüssigkeitszerstäuber (1) nach dem vorhergehenden An­ spruch, worin die Gesamtzustromfläche so auf eine Vielzahl Zustromöffnungen verteilt ist, daß sich eine ruhige, al­ lenfalls wenig turbulente Luftströmung in der Mischkammer ergibt.

8. Flüssigkeitszerstäuber (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin für die Einführung von Zerstäubungshilfs­ medium mehrere Mischkammer-Zustromöffnungen vorgesehen sind, die bevorzugt über eine der Mischkammer vorgeschal­ tete Verteilerkammer mit einem gemeinsamen Zerstäubungs­ hilfsmedium-Anschluß verbunden sind.

9. Flüssigkeitszerstäuber (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Mischkammeraustritte als Kanäle mit solcher Länge gebildet sind, daß im vorgesehenen Druck- und Viskositätsbetriebsbereich der zerstäubende Strahl sich bis dicht an die Austrittsöffnung heran verbreitert, aber noch in allenfalls vernachlässigbaren Wandkontakt tritt.

10. Flüssigkeitszerstäuber (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der Abstand zwischen Flüssigkeitsvorlage­ mündung und zugeordnetem Mischkammeraustrittskanaleintritt wenigstens das zweifache des Mischkammeraustrittskanal­ durchmessers beträgt.

11. Flüssigkeitszerstäuber (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Flüssigkeitsvorlagemündungen und/oder die Mischkammeraustrittskanäle und/oder die Zustromöffnun­ gen rund sind.

12. Flüssigkeitszerstäuber (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkammer (2) für einen Betriebsdruck von über 1 bar, und insbesondere über bevorzugt wenigstens 2,5 bar ausgelegt ist.

13. Flüssigkeitszerstäuber (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Vorrichtung zum feindispersen Einper­ len kleiner Gasvolumina in die zu zerstäubende Flüssigkeit vor der Vorlage in die Kammer.