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Begriffe aus der Düsen- und Zerstäubungstechnik,
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Abtropfen
Eine technisch einfache Methode zum Erzeugen monodisperser Tropfen im Erdschwerefeld. Aus einer Kapillare tritt hierbei Flüssigkeit mit sehr geringer Geschwindigkeit aus und bildet einen hängenden Tropfen. Dieser nimmt in seiner Größe stetig zu, bis die Gewichtskraft die haltende Oberflächenspannungskraft überschreitet. Im Fall der Nichtbenetzung ist die theoretische Tropfengröße dann
In der Realität sind die erzeugten Tropfen etwas kleiner als die nach der Theorie berechneten. Zu unterscheiden ist ferner in Benetzung und Nichtbenetzung. Das Abtropfen wird technisch oftmals genutzt, um definierte Wirkstoffmengen abzugeben. Typische Anwendung: Tropfflaschen zur Dosierung von Medikamenten.
Aerodynamisches Zerwellen
Eine bestimmte Form des Zerfalls von Flüssigkeitslamellen zu Tropfen. Dieses Phänomen tritt bei Lamellen bildenden Düsen auf und beruht auf Wechselwirkungen der frei strömenden Lamelle mit der umgebenden Gasatmosphäre. Die Abgrenzung der verschiedenen Lamellenzerfallsphänomene voneinander ist schwierig, da einerseits die Übergänge fließend sind und zudem eine Vielzahl von Parametern eine Rolle spielt. Das aerodynamische Zerwellen ist ein technischer üblicher Betriebsbereich, der beispielsweise an Flachstrahldüsen, Hohlkegel-Düsen und Kegel-Düsen zu beobachten ist.
Ausflussfunktion
Eine wichtige Kenngröße bei der Berechnung kompressibler Gasströmungen aus Düsen und Öffnungen. Sie beschreibt in dimensionsloser Form die Massenstromdichte des strömenden Gases.
Beim Erreichen des kritischen Druckverhältnisses in der Düsenmündung, das ist beim Erreichen der Schallgeschwindigkeit der Fall, beträgt der Wert bei Luft als strömendem Fluid ψ = 0,484.
Auslaufen
Dieses tritt an Kapillaren und bei extrem niedrigen Flüssigkeitsgeschwindigkeiten auf. Ab einem kritischen Kapillardurchmesser tritt Luft ein und es kommt zum Ausbilden unregelmäßiger und grober Tropfen. In der Theorie tritt Auslaufen bei einem Betrag ab 28 für die dimensionslose Bond-Zahl auf. Besonders bei Rotationszerstäubern mit Einzeldüsen spielt das Auslaufen eine Rolle.
Beladung
Siehe Massenstromverhältnis
Benetzung
Berührt eine sich in der Gasatmosphäre befindliche Flüssigkeit eine feste Wandung, dieses kann beispielsweise eine Düsenmündung sein, tritt bei ruhenden oder mit sehr geringer Geschwindigkeit fließenden Fluiden das Phänomen der Benetzung (oder Nicht-Benetzung) auf. Bei der Benetzung bildet die Flüssigkeit in der Regel einen Randwinkel α < 90o aus, bei der Nicht-Benetzung einen Winkel α > 90o.
Typisches Beispiel: Alkohol benetzt eine gereinigte Glasfläche sehr gut; Benetzung.
Quecksilber bildet hingegen einzelne und nahezu runde Tropfen; Nicht-Benetzung.
Blasenströmung
Eine spezielle Strömungsform der Zweiphasenströmung. Sie tritt vorzugsweise bei kleinen Gasvolumenanteilen auf und ist im Bereich der Düsen-Technik von untergeordneter Bedeutung.
Borda-Mündung
Eine spezielle Düsenform bei Einstoff-Druckdüsen. Die Borda-Mündung erhöht den Turbulenzgrad der strömenden Flüssigkeit und sorgt für ein rasches Aufbrechen des Flüssigkeitsstrahles zu Tropfen. Diese Mündungsform trifft man gelegentlich bei so genannten Turbulenzdüsen an.
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Dimensionslose Kennzahl
Dimensionslose Kennzahlen, -auch Π-Größen genannt-, werden im gesamten Bereich der Verfahrenstechnik benutzt. Eine besonders wichtige Rolle spielen diese Größen in der Strömungsmechanik und der Zerstäubungstechnik. Diese Kennzahlen setzen beispielsweise Kräfte, Beschleunigungen oder Längen/Durchmesser in ein Verhältnis zueinander und weisen naturgemäß keine Dimension auf. In der Strömungs- und Zerstäubunsgtechnik ist die beispielsweise die Reynolds-Zahl von großer Bedeutung.
Sie charakterisiert in der angegebenen Form, ob eine Rohrströmung turbulent oder laminar ist. Dimensionslose Kennzahlen werden unter Anderem bei der systematischen Optimierung von Düsensystemen genutzt.
Drallkammer
Findet sich bei Tangential-Hohlkegeldüsen. Die zu zerstäubende Flüssigkeit tritt durch eine oder mehrere Bohrungen tangential in die Drallkammer ein und bildet ein Rotationsfeld aus. Im Inneren der Drallkammer entsteht ein Luftkern, der von der Düsenmündung bis an den Deckel der Drallkammer reicht. Hierdurch entsteht bei Hohlkegeldüsen das charakteristische hohlkegelförmige Sprühbild.
Drallparameter
Eine wichtige dimensionslose Kennzahl, die zum Auslegen und Dimensionieren von Hohlkegel-Düsen benutzt wird.
Durchflussziffer
Eine wichtige dimensionslose Kennzahl, die im Bereich der Einstoff-Druckdüsen den realen Volumenstrom ins Verhältnis zum theoretisch möglichen maximalen Volumenstrom bei einer bestimmten Druckdifferenz setzt. Sie ist somit ein Maß für den bei der Düsenströmung auftretenden Druckverlust. Ein geringer Wert für µ bedeutet nicht automatisch eine schlechte Düse! Vielmehr kann eine Düse mit einem geringen Wert für µ ein erheblich feineres Tropfengrößenspektrum liefern als eine Düse mit einem hohen µ-Wert!
Düsendruckziffer
Eine dimensionslose Kennzahl, die zur Berechnung des Volumenstroms und des Sauterdurchmessers beim Zerstäuben mit Hohlkegel-Druckdüsen benutzt wird.
Einstoff-Druckdüsen
Hierunter versteht man grundsätzlich alle Düsenbauarten, bei denen das zu zerstäubende Fluid selbst als Energielieferant dient.
Fadenbildung
Diese tritt bei bestimmten Betriebsparametern an Rotationszerstäubern auf. Am Umfang des Zerstäubers bilden sich dann in regelmäßigen Abständen gleichförmige einzelne Flüssigkeitsfäden aus, die zu nahezu gleich großen, also monodispersen, Tropfen zerfallen. Dieses Verfahren der Tropfenbildung an Rotationszerstäubern ist technisch besonders interessant, wo zum Beispiel Overspray vermieden werden soll.
Fließkurve
Ein Begriff aus der Flüssigkeitsrheologie. Die Fließkurve wird üblicherweise mit einem so genannten Rotationsviskosimeter erstellt und lässt Schlüsse zu, wie sich eine nicht-newtonsche Flüssigkeit bei unterschiedlichen Beanspruchungen verhält. So existieren z. B. Flüssigkeiten, die mit zunehmender Beanspruchung dünnflüssiger werden, andere hingegen werden zäher. Diese Eigenschaften sind besonders wichtig, um den Volumenstrom an Düsen, aber auch das Tropfengrößenspektrum bestimmen zu können.
Gleichmäßigkeitsparameter
Dieser wird benutzt, um in der RRSB-Verteilung die Breite eines Tropfengrößenspektrums zu charakterisieren. Die meisten technischen Zerstäuber erzeugen keine monodispersen Tropfen, sondern vielmehr Tropfen verschiedener Durchmesser; die Tropfengrößenverteilung. Für die praktische Anwendung ist es sehr wichtig, nicht nur einen einzigen charakteristischen Tropfendurchmesser wie beispielsweise den mittleren Tropfendurchmesser x50 zu kennen. Vielmehr interessieren aus verfarenstechnischer Sicht zudem sowohl die kleinen und großen Tropfen im Spray. Overspray und unerwünschtes Abscheiden von Tropfen sind nur zwei Stichworte hierzu. In der RRSB-Verteilungsfunktion,
gibt der Gleichmäßigkeitsparameter n an, wie hoch der Anteil an kleinen und großen Tropfen ist. Je kleiner der n-Wert ist, umso breiter ist die Verteilung.
Hohlkegel-Düsen-Paradoxon
Eine auf den ersten Blick ungewöhnliche Erscheinung, die beim Zerstäuben von Flüssigkeiten mit Hohlkegeldüsen auftritt. Im Gegensatz zu allen anderen Einstoff-Druckdüsen nimmt der Volumenstrom zunächst bei konstanter Druckdifferenz zu, wenn die Viskosität ansteigt. Ursache hierfür ist, dass die Lamellendicke im Düsenaustritt der Hohlkegeldüse immer weiter zunimmt, bis schließlich der gesamte Querschnitt flüssigkeitsgefüllt ist. Danach sinkt der Volumenstrom wieder ab. Dieses Phänomen ist besonders bei der Erwärmung von Flüssigkeiten (Ölbrenner) zu berücksichtigen.
Isentropenexponent
Dimensionslose Kennzahl zur Berechnung von (kompressiblen) Gasströmungen. Für Luft gilt: κ = 1,4.
Kavitation
Diese tritt auf, wenn der Dampfdruck einer Flüssigkeit unterschritten wird. Dieses kann in Düsenmündung auftreten, wenn die Strömungsgeschwindigkeit sehr hoch ist. Eine hohe Strömungsgeschwindigkeit geht nach Bernoulli einher mit einem geringen statischen Druck. Die Flüssigkeit bildet Gasblasen aus. Steigt der Druck wieder an, implodieren diese Gasblasen. Kavitation kann einerseits das Erzeugen feiner Tropfen begünstigen, jedoch auch Material schädigen.
Lamelle
Bestimmte Einstoff-Druckdüsen bilden keinen kompakten Flüssigkeitsstrahl im Nahbereich der Düsenmündung aus, sondern vielmehr eine Flüssigkeitslamelle. Diese zerfällt nach einer gewissen Entfernung hinter der Düsenmündung zu Tropfen. Lamellen bildende Einstoff-Druckdüsen liefern üblicherweise feinere Tropfen als strahlbildende Einstoff-Druckdüsen.
Laminarer Strahlzerfall
Auch Rayleigh´scher Strahlzerfall genannt. Tritt eine Flüssigkeit mit hinreichend geringer Strömungsgeschwindigkeit aus einer Kapillaren aus, bilden sich am Ort des Strahlzerfalls gleich große, also monodisperse, Tropfen. Dieses Phänomen ist beispielsweise bei Gartenbrausen zu beobachten. Die erzeugte Tropfengröße bei niederviskosen Flüssigkeiten ist
Mit dieser Methode ist es möglich, aus höherviskosen Flüssigkeiten kleinere Tropfen zu erzeugen als aus niederviskosen; Strahlverstreckung.
Laserbeugungsspektrometrie
Eine laseroptische, berührungs- und beeinflussungsfreie Methode zum Messen der Tropfengrößenverteilung in einem Spray.
Lavaldüse
Eine spezielle Düsenform, mit welcher eine Überschall-Strömung erzeugt werden kann.
Machzahl Ma < 1 Unterschall- bzw. Subsonische Strömung Ma = 1 Schall-Strömung Ma > 1 Überschall- bzw. Supersonische Strömung Ma >> 1 Hyperschall- bzw. Hypersonische Strömung
Dimensionslose Kennzahl in der Strömungsmechanik, welche die reale Strömungsgeschwindigkeit in ein Verhältnis zur Schallgeschwindigkeit setzt.
Massenstromverhältnis
Auch Beladung genannt. Wichtige Kennzahl für Zweistoff- beziehungsweise pneumatische Düsen. Diese Kennzahl gibt an, wieviel Massenstrom an Druckgas im Verhältnis zum Flüssigkeitsmassenstrom zur Verfügung steht.
Das Spray einer Zweistoff-Düse wird tendenziell mit zunehmender Beladung feiner.
Oberflächenspannung
Stoffwert einer Flüssigkeit. Die Oberflächenspannung erzeugt im Inneren eines Tropfens einen stabilisierenden Überdruck,
Dieser ist unter Anderem dafür verantwortlich, dass kleine Tropfen sich nur sehr schlecht weiter zerteilen lassen. Beispiel: Innendruck im Wassertropfen mit x=1 µm, pi=2,88 bar!
Overspray
Hierunter versteht man üblicherweise den unerwünschten Feinanteil in einer Tropfengrößenverteilung, welcher zu Problemen in filternden Abscheidern, bei der Produktgüte (Staub) etc. führt. Der Anteil an Overspray kann nur durch eine vollständige Analyse des Tropfengrößenspektrums ermittelt werden.
Phasen-Doppler-Anemometer
Auch kurz PDA genannt. Eine laseroptische, berührungs- und beeinflussungsfreie Methode zur Messung der Tropfengrößen und der Tropfengeschwindigkeiten. Ein relativ aufwändiges und kostenintensives Verfahren, mit welchem sich jedoch sehr detaillierte Erkenntnisse gewinnen lassen.
Prefilming-Düse
Eine besondere Bauart der Zweistoff-Düsen äusserer Mischung. Bei diesen Düsen treffen Flüssigkeit und Gas erst ausserhalb der Düse aufeinander und bilden einen feinen Spray aus. Die Breite der Prefilming-Fläche ist mit verantwortlich für die Feinheit des Sprays.
Rayleigh´scher Strahlzerfall
Siehe Laminarer Strahlzerfall.
Rollwellen
Spezielle Form der Zweiphasen-Strömung. Diese tritt unter Anderem in Steigröhrchen von Sprühflaschen auf. Durch Rollwellen lassen sich relativ feine Tropfendurchmesser erzeugen.
Rotationszerstäuber
Zerstäuberbauart, die zu den mechanischen Zerstäubern zählt. Siehe auch hier.
Sauterdurchmesser
Charakteristischer Tropfendurchmesser zur Beurteilung der Spraygüte. Findet häufig Verwendung zur Berechnung von Stoff- und Wärmeübergangsphänomenen. Der Sauterdurchmesser alleine reicht jedoch nicht aus, die Sprayqualität vollständig darzustellen. Idealerweise ist zudem der Gleichmäßigkeitsparameter bekannt.
Satellitentropfen
Hierunter versteht man sekundäre und kleine Tropfen, die beim laminaren Strahlzerfall entstehen können. Das Entstehen von Satellitentropfen kann durch überlagerte Impulse kleiner Amplitude vermieden werden. Für die meisten technischen Anwendungen sind Satellitentropfen jedoch nicht besonders problematisch.
Schallgeschwindigkeit
Maximale Strömungsgeschwindigkeit eines Gases durch eine Düse beziehungsweise Bohrung. Überschallströmungen lassen sich nur durch Laval-Düsen erzeugen.
Spritzerströmung
Eine besondere Strömungsform der Zweiphasen-Strömung. Im Bereich der Düsen- und Zerstäubungstechnik von großer Bedeutung.
Tropfengrößenverteilung
Nahezu alle technischen Zerstäuber erzeugen Tropfen verschiedener Durchmesser im Sprüh. Um die Qualität eines Sprühs zu beurteilen, ist daher die Kenntnis der gesamten Tropfengrößenverteilung von Bedeutung. Dank moderner laseroptischer Messverfahren ist es heute möglich, verlässliche Aussagen über sämtliche im Spray befindlichen Tropfengrößen zu treffen. Nur wenn die vollständige Tropfengrößenverteilung bekannt ist, lassen sich beispielsweise Stoff- und Wärmeübergangsprozesse hinreichend genau berechnen.
Tropfenkoaleszenz
Hierunter versteht man das Zusammenfließen zweier (oder mehrer) einzelner Tropfen zu einem neuen Tropfen. Dieser Effekt wird manchmal überbewertet. Fliessen beispielsweise zwei Tropfen mit einem Durchmesser von jeweils x = 50 μm zusammen, entsteht ein neuer Tropfen mit x = 63 μm und nicht mit einem Durchmesser von x = 100 μm!.
Turbulenzdüse
Zählt zu den Einstoff-Druckdüsen. Die Flüssigkeit tritt bei diesen Düsen als Strahl aus und zerfällt sowohl infolge der inneren Flüssigkeitsturbulenz als auch der Wechselwirkung mit der umgebenden Atmosphäre zu Tropfen. Turbulenzdüsen erzeugen bei moderaten Druckdifferenzen relativ grobe Tropfen.
Ultraschallzerstäuber
Zu den mechanischen Zerstäubern zählende Bauart; siehe auch hier.
Venturidüse
Zu den Zweistoff-Düsen zählender Düsen-Typ innerer Mischung. Flüssigkeit und Gas werden bereits im Inneren des Zerstäubers gemischt und erzeugen eine Zweiphasenströmung. Am Düsenaustritt kommt es dann zu einer Nachzerteilung grober Tropfen. Venturidüsen arbeiten größtenteils selbstansaugend.
Viskosität
Sie kann gedanklich als Widerstand interpretiert werden, den eine Flüssigkeit oder ein Gas einer aufgeprägten Bewegung entgegensetzt. Bereits aus der Erfahrung weiß man, dass “Honig” sehr zähflüssig ist, Wasser hingegen dünnflüssig. Die Viskosität ist eine der wichtigsten Stoffgrößen für die Düsen- und Zerstäubungstechnik. Sie entscheidet oftmals darüber, ob ein bestimmtes Zerstäubungsverfahren angewendet werden kann. Zwischen der kinematischen Viskosität ν und der dynamischen Viskosität η besteht folgender Zusammenhang:
Die Viskosität von Flüssigkeiten nimmt üblicherweise mit steigender Temperatur ab, die von Gasen jedoch zu.
Zweiphasenströmung
Eine Strömungsform, bestehend aus zwei verschiedenen Phasen; also beispielsweise Flüssigkeit und Gas. Die Zweiphasenströmung spielt in der Zerstäubungstechnik eine große Rolle. Alle Zweistoff-Düsen mit innerer Mischung erzeugen eine Zweiphasenströmung. Für diese gelten besondere physikalische Zusammenhänge; so bspw. eine relativ geringe Schallgeschwindigkeit. Das Berechnen von Zwei- und Mehrphasenströmungen ist sehr komplex.
Zweistoff-Düsen
Düsenbauart, bei welcher Druckgas oder Dampf als Energielieferant dient. Diese Düsen liefern in der Regel ein sehr feines Spray und können auch höher viskose Flüssigkeiten zerstäuben.
