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Dokumentenidentifikation DE102005056807A1 26.10.2006
Titel Vorrichtung zur Steigerung der Betriebssicherheit von Zweistoffzerstäubern
Anmelder Fritsching, Udo, Prof. Dr.-Ing., 28357 Bremen, DE;
Czisch, Cevin, Dipl.-Ing., 28359 Bremen, DE
Erfinder Fritsching, Udo, Prof. Dr.-Ing., 28357 Bremen, DE;
Czisch, Cevin, Dipl.-Ing., 28359 Bremen, DE
DE-Anmeldedatum 29.11.2005
DE-Aktenzeichen 102005056807
Offenlegungstag 26.10.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.10.2006
IPC-Hauptklasse B05B 7/10(2006.01)A, F, I, 20051129, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steigerung der Betriebssicherheit insbesondere zum Einsatz bei der Fluidzerstäubung mittels extern mischender Zweistoffdüsen mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Extern mischende Zweistoffzerstäuber nach dem Freifall-Prinzip werden zur Zerstäubung von Flüssigkeiten, wässrigen oder organischen Lösungen sowie Schmelzen eingesetzt. Die Zerstäubungseffizienz ist maßgeblich abhängig von der Differenzgeschwindigkeit zwischen dem zu zerstäubenden Fluid und dem Zerstäubungsmedium, in den meisten Fällen ein Gas. Die Energie für den Zerstäubungsprozess wird über das Zerstäubergas eingebracht, welches aus einem Druckreservoir gespeist wird. Das zu zerstäubende Medium wird dem Zerstäubungsbereich, welcher sich unterhalb des Zerstäuberkörpers befindet, in der Regel in Form eines zylindrischen Strahls oder eines ebenen oder konzentrischen Films zugeführt. Das Zerstäubergas wird im Allgemeinen konzentrisch zu dem zu zerstäubenden Medium dem Zerstäubungsbereich zugeführt.
Infolge der spezifischen Anordnung dieses Zerstäubertyps bildet sich zwischen dem Zerstäuberkörper und dem Zerstäubungsgebiet ein Gas-Rezirkulationsgebiet, welches durch geeignete Maßnahmen unterdrückt werden muss, um einen stabilen Zerstäubungsprozess zu gewährleisten. Hierfür wird, dem Stand der Technik entsprechend, ein zusätzlicher Gasstrom, häufig Primärgasstrom genannt, eingesetzt.
Durch die vorgestellte erfindungsgemäße Ergänzung einer extern ...

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steigerung der Betriebssicherheit insbesondere zum Einsatz bei der Fluidzerstäubung mittels extern mischender Zweistoffdüsen mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Zerstäubung von Flüssigkeiten, Suspensionen, Emulsionen, Lösungen oder Schmelzen ist ein verfahrenstechnisches Grundverfahren, das in vielen technischen Applikationen eingesetzt wird. Hierbei kommt eine Vielzahl von verschiedenen Zerstäubungsverfahren in Abhängigkeit von der spezifischen Anwendung zum Einsatz. Unterschieden werden können diese Zerstäubervarianten nach der Art der Energiezufuhr, die für die Zerstäubung eines Mediums erforderlich ist. Im Falle eines extern mischenden Zweistoffzerstäubers wird die Energie über die kinetische Energie des Zerstäubungsmediums dem Zerstäubungsprozess zur Verfügung gestellt.

Die Zerstäubung beruht im wesentlichen auf der Geschwindigkeitsdifferenz und dem Impulsaustausch zwischen der zu zerstäubenden und der zerstäubenden Phase. Die zu zerstäubende Phase liegt hierbei in fluider Form vor. Als zerstäubende Phase wird in den meisten Fällen ein Gas eingesetzt. Im Allgemeinen wird bei diesem Zerstäubertyp das zu zerstäubende, flüssige Medium in Form eines zylindrischen Strahls oder eines ebenen oder konzentrischen Films zentrisch zur Symmetrieachse des Zerstäubers in den Zerstäubungsbereich geführt. Der Zerstäubungsbereich zeichnet sich durch einen stark ansteigenden Gas-Geschwindigkeitsgradienten aus und befindet sich unmittelbar vor dem Zerstäuberkörper. Die Zerstäubungsgasgeschwindigkeit ergibt sich aus der Umwandlung von Druckenergie in kinetische Energie. Das Zerstäubergas strömt in der Regel durch eine konzentrische Ringöffnung oder durch diskrete Düsenöffnungen, die im Allgemeinen ebenfalls konzentrisch um die Symmetrieachse des Zerstäubers angeordnet sind. Dem aus der Düsenöffnung austretenden Gas kann eine initiale Richtung über einen Anstellwinkel zur Symmetrieachse vorgegeben werden. Dieser Winkel legt die Richtung des austretenden Gas-Geschwindigkeitsvektors fest. zeigt die Grundgeometrie eines extern mischenden Zweistoffzerstäubers. In der Abbildung ist beispielhaft ein zylindrisch in den Zerstäubungsbereich eintretender, zu zerstäubender Strahl sowie die konzentrische Zerstäubergasströmung dargestellt.

Das auftretende Rezirkulationsgebiet wird durch die spezifische Strömungsführung des Zerstäubergases hervorgerufen. Es lässt sich auch bei ideal paralleler Führung zum zentralen Fluidstrahl nicht vermeiden. Der Zerstäubergasstrom bedingt die Einsaugung von Umgebungsgas in die Zerstäubungszone.

Bei der Zerstäubung bewirkt eine Gas-Rezirkulation im inneren Bereich des Strömungsgebiets einen Teil-Transport des bereits zerstäubten Mediums entgegen der Hauptströmungsrichtung. Hierbei kommt es zur erheblichen Prozessbeeinträchtigungen, bis hin zur teilweisen oder gänzlichen Verblockung des Fluidaustritts. Da die Größe und Intensität des Rezirkulationsgebiets vom Betrag und der Richtung der Zerstäubergasströme abhängt, ist zur Erhaltung der Prozesssicherheit die Berücksichtigung einer oberen Grenze der Strömungsgeschwindigkeit, bzw. des Gasanstellwinkels erforderlich. Beide Maßnahmen limitieren die Zerstäubungseffizienz, die deshalb stets unterhalb des Strömungsoptimums liegt.

Als gängige, dem Stand der Technik entsprechende Maßnahme zur Unterdrückung der Gas-Rezirkulation im Inneren des Zerstäubungsbereichs wird ein zweiter, zusätzlicher Gasmassenstrom angewendet, der häufig als Primärgasstrom bezeichnet wird. Durch die Anwendung des Primärgasstromes () wird die Entrainmentströmung verstärkt und die Rezirkulation des Gases unterbunden. Nachteilig sind hierbei der erhöhte Gasverbrauch, die Einschränkung des konstruktiven Freiraumes zur Zerstäubergestaltung und die häufig damit einhergehende Erniedrigung der Zerstäubungseffizienz.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist durch die Merkmale 1 bis 5 charakterisiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Verfahrensprinzip der Grundidee der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Beeinflussung der Strömungsführung des Zerstäubergasstroms zum Zweck der Unterdrückung eines Rezirkulationsgebiets. Realisiert wird diese Unterdrückung durch die zweckmäßige Anordnung einer konzentrischen Vorrichtung im Strömungsbereich. Die Umlenkvorrichtung kann in einer zweckmäßigen Ausführung der Erfindung ring- oder zylinderförmig oder als Rohrabschnitt ausgebildet sein. Die mögliche Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Strömungsbereich der Zerstäuberdüse ist in der dargestellt.

In der ist die Gas-Strömungs- (links) und Druckverteilung (rechts) im Zerstäubungsbereich eines Zweistoffzerstäubers ohne die erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt als Ergebnis einer Strömungssimulationsrechnung. Auf der linken Seite in der Vektorgraphik ist die Ausbildung des Gas-Rezirkulationsgebiets zu erkennen. In der ist die Strömungs- und Drucksituation unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. Durch den Coanda-Effekt (Strömungsumlenkung an gekrümmten Flächen) wird ein Unterdruckgebiet im Eintrittsbereich des Zerstäubergases in den zylindrischen Ring ausgebildet. Dieses führt zu einer partiellen Umlenkung des Zerstäubergasstroms. Der hieraus resultierende Druckabfall überträgt sich auf den gesamten inneren Bereich des Ringes und somit auch auf den Bereich des Rezirkulationsgebiets. Der Druck im inneren Bereich reduziert sich und steigert das Einsaugen von Entrainment in den inneren Bereich. Wird ein ausreichendes Entrainment in den inneren Bereich eingesaugt, wird eine Rezirkulation des Gases effektiv verhindert.

Durch die vorgestellte erfindungsgemäße Zerstäubungsvorrichtung wird:

  • 1. das Gas-Rezirkulationsgebiet minimiert bzw. ausgeschlossen,
  • 2. die Verwendung eines Primärgasstroms vermieden,
  • 3. der Betriebsbereich des Zerstäubers vergrößert,
  • 4. die Regelung des Zerstäubers vereinfacht,
  • 5. die Zerstäubungseffizienz erhöht, und
  • 6. die Betriebssicherheit des Zerstäubungsprozesses erhöht.


Anspruch[de]
Vorrichtung zur Unterdrückung von Rezirkulationen im Strömungsfeld von extern mischenden Zweistoffzerstäubern, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beeinflussung der Strömungsführung des Zerstäubergases für außenmischende Zweistoffdüsen zur Flüssigkeitszerstäubung durch eine geeignete Vorrichtung gewährleistet wird. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweckmäßige Veränderung der Strömungsführung eine Beeinflussung der lokalen Druckverhältnisse bewirkt. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Veränderung der Strömungsführung den Transport von Entrainmentgas in den inneren Bereich des Zerstäubungsgebietes steigert. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Umlenkung des Zerstäubergasstroms eine ausreichende Entrainmentgasmenge ein Rezirkulieren des Zerstäubergases verhindert. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einer zweckmäßigen Ausführung die Umlenkvorrichtung ring- oder zylinderförmig oder als Rohrabschnitt ausgebildet ist und konzentrisch angeordnet ist.






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