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Die Dichte der umgebenden Gasphase ist dabei deutlich kleiner als die Dichte der zu zerstäubenden Flüssigkeit, wodurch sich die Tropfenbildungsmechanismen
erheblich von Dispergiervorgängen unterscheiden, die bei geringeren Dichtedifferenzen auftreten.
Das aus der Zerstäubung entstehende Produkt wird als Sprüh oder auch als Spray bezeichnet. In der Regel ist ein Sprüh gewünscht, in dem alle vorhandenen Tropfen einen identischen Durchmesser besitzen. Bei einem solchen idealen Sprüh spricht man von einer monodispersen Tropfengrößenverteilung. Hierbei genügt die Angabe eines einzigen Tropfendurchmessers, um die Eigenschaften eines derartigen Sprühs zu beschreiben.
Die Mehrheit aller technischen Zerstäuber und Düsen erzeugen allerdings ein polydisperses Tropfengrößenspektrum, so dass die Tropfengrößenverteilung durch Messung (z.B. durch unseren Droplet Analyzer) ermittelt werden muss. Nur nach hinreichender Charakterisierung der Sprüheigenschaften ist die Berechnung von Wärme- und Stoffübergangsprozessen möglich.
Der für eine bestimmte Applikation zu wählende Sprühwinkel hängt von der Größe der zu besprühenden Fläche ab.
Da die Flüssigkeitströpfchen unmittelbar nach dem Austritt aus der Düse durch äußere Faktoren, wie z.B. Schwerkraft, Gasströmungen, etc. beeinflusst werden, erfolgt die Messung des Sprühwinkels, für die Bestimmung von Sprühflächen, in Abhängigkeit von der Anwendung im Abstand von 100 bis 1000 mm. Gerne bieten wir Ihnen individuelle Sprühtests in unserem hoch spezialisierten Sprühlabor nach Absprache an.
Das nachfolgende Diagramm zeigt die theoretische Sprühfläche (E) im Abstand (D) in Abhängigkeit des Sprühwinkels (A) auf. Der wirksame Sprühwinkel (C) ist dabei geringer als der theoretische Winkel (E) und kann aus der tatsächlichen Sprühfläche (B) berechnet werden.
Viele technische Verfahren, wie beispielsweise Gaswäschen, hängen davon ab, dass die größtmögliche Kontaktfläche zwischen einer Flüssigkeit und einem Gasstrom hergestellt wird. Das Erzielen dieser größtmöglichen Kontaktfläche erfordert ein Aufbrechen der Flüssigkeit in kleinstmögliche Tropfen. Technisch umsetzen können wir dies durch folgende Parameteränderungen:
In der Praxis erzeugt eine Düse aus einem kompakten Flüssigkeitsstrom Tropfen in einem bestimmten Größenbereich. Da es unzweckmäßig ist, alle erzeugten Größen aufzulisten, wird die Tropfengröße (in µm) gewöhnlich als D32 Sauter – Durchmesser angegeben. Dabei ist es wichtig, die verschiedenen Durchmesserbegriffe zu kennen.
Nachstehend die Definitionen der am häufigsten benutzen Durchmesser:
Mittlerer Volumen Durchmesser DV0,5
Der Durchmesser, der das Gesamtvolumen der Tropfen in zwei gleiche Hälften teilt. Dem entsprechend besteht eine Hälfte des Gesamtvolumens aus Tropfen aus kleinerem, die andere Hälfte aus Tropfen mit größerem Durchmesser.
Ein mittlerer Volumen Durchmesser DV0,5=200µm bedeutet, dass 50% des Gesamtvolumens aus Tropfen kleiner gleich 200µm besteht. Dies bedeutet nicht, dass anzahlmäßig 50% der Tropfen kleiner als 200µm sind.
An dieser Stelle ist zu bemerken, dass die Angabe eines einzigen charakteristischen Tropfendurchmessers keineswegs ausreichend ist um das gesamte Tropfenspektrum eines Sprühs umfassend zu beschreiben. Zwei Sprühs, die exakt den gleichen Volumen Durchmesser DV0,5 aufweisen, müssen nicht die gleiche spezifische Oberfläche aufweisen.
Mittlerer Volumendurchmesser D30
Der Durchmesser eines Tropfens, dessen Volumen, multipliziert mit der Gesamtzahl der Tropfen, gleich dem Gesamtvolumen der Probe ist.
Mittlerer arithmetischer Durchmesser D10
Das rechnerische Mittel der Durchmesser aller Tropfen in der Sprühprobe.
Mittlerer Sauter Durchmesser D32
Der mittlere Sauter Durchmesser ist am besten geeignet um ein Sprüh zu charakterisieren. Das Verhältnis Volumen zu Oberfläche für den mittleren Durchmesser ist dasselbe wie für das gesamte Sprühvolumen. Daher wird für die Berechnung von Stoff- und Wärmeübergangsprozessen der mittlere Sauter Durchmesser häufig verwendet.
Mittlerer Volumen Durchmesser DV0,9
90% des Gesamtvolumens der Tropfen sind kleiner gleich des angebenden Tropfendurchmessers. Ein DV0,9=200µm bedeutet beispielsweise, dass 90% des Gesamtvolumens aus Tropfen kleiner gleich 200µm besteht. Dieser charakteristische Tropfendurchmesser ist bei Verdampfungsprozessen und Kühlungsprozessen von entscheidender Bedeutung.
Mittlerer Volumen Durchmesser DV0,1
10% des Gesamtvolumens der Tropfen sind kleiner gleich des angebenden Tropfendurchmessers. Ein DV0,1=200µm bedeutet beispielsweise, dass 10% des zerstäubten Gesamtvolumens aus Tropfen kleiner gleich 200µm besteht. Dieser charakteristische Tropfendurchmesser dient oftmals als Entscheidungskriterium, ob Tropfen, von einer bestimmten Größe, von einem Gasstrom mitgerissen werden. Der DV0,1 dient zur Auswahl des geeigneten Tropfenabscheiders.
Dralldüsen erzeugen im Allgemeinen größere Tropfen als Spiraldüsen. Luftzerstäuberdüsen, wie die XA- oder SA-Serie, erzeugen typischerweise von allen Düsen die kleinsten Tropfen.
Sprühdüsen müssen den unterschiedlichsten Anforderungen gerecht werden. BETE Deutschland berät Sie bei der Auswahl der optimalen Düse für ihre spezifische Applikation.
Das Ergebnis des Zerstäubungsvorgangs wird wesentlich durch die Bauform der Düse beeinflusst.
Folgende Strahlformen finden in der Zerstäubungstechnik häufig Verwendung:
Die Aufprallfläche ist bei einer Vollkegeldüse vollständig mit einem Sprüh bedeckt. Dieses Sprühbild wird bei Axialvollkegeldüsen durch den Einbau eines sogenannten Drallkörpers verursacht. Tangential angeströmte Vollkegeldüsen haben keine Einbauten im Strömungskanal und erzeugen mittels Rotation und definierter Drallkammer ein Vollkegelsprühbild. Eine Sonderbauform stellt die Spiraldüse dar.
Aufgrund der speziellen Austrittsgeometrie bilden Flachstrahldüsen zunächst einen geschlossenen Flüssigkeitsfilm, welcher im weiteren Verlauf in einzelne Tropfen zerfällt.
Je nach Gestaltung der Austrittsgeometrie entsteht eine elliptische oder rechteckförmige Aufprallfläche.
Zungendüsen nehmen aufgrund ihrer Funktionsweise eine Sonderposition unter den Flachstrahldüsen ein: Der Flüssigkeitsstrahl tritt axial durch eine zylindrische Austrittsbohrung aus und wird dann durch eine äußere Deflektorfläche abgelenkt.
Durch die Kombination untereinander austauschbarer Luft- und Flüssigkeitskappen können mit Pneumatik-Zerstäuberdüsen Flachstrahl, Hohlkegel oder Vollkegel-Sprühbilder erzeugt werden. Die durch Pneumatik-Zerstäuberdüsen erzeugten Tropfen gehören zu den kleinsten erzielbaren Tropfen in der Zerstäubungstechnik.
Entsteht eine ringförmige Aufprallfläche so spricht man von einem Hohlkegel Sprühbild. In der Regel strömt die Flüssigkeit tangential in die Drallkammer ein. Dort wird die Flüssigkeit in Rotation versetzt und es entsteht ein Flüssigkeitsfilm der unmittelbar nach der Düsenmündung in einzelne Tropfen zerfällt. Ausnahme bilden die Axial- Hohlkegeldüsen, bei denen die Flüssigkeit axial in die Drallkammer strömt und dort durch einen besonderen Dralleinsatz in Rotation versetzt wird.
Durch eine entsprechende Ausgestaltung der Düsenmündung entsteht ein geschlossener Flüssigkeitsstrahl, der sich durch hohe Strahlstabilität und hohe Aufprallintensität auszeichnet. Der eigentliche Zerstäubungsvorgang, der Zerfall in einzelne Tropfen, ist bei Vollstrahldüsen unerwünscht und wird gezielt, durch die Geometrie der Düse, unterdrückt.
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