Grundlagen der Zerstäubung mit Einstoff-Druckdüsen
Bei diesen Düsenbauarten nutzt man generell die unter einer Druckdifferenz Δp stehende Flüssigkeit als Energielieferant für die Zerstäubung. Zusätzliche Druckluft ist also nicht erforderlich.
Aus der Druckdifferenz resultiert im Düsenaustritt eine bestimmte Strömungsgeschwindigkeit. Dieses wiederum hat zur Folge, dass ein Flüssigkeitsstrahl oder eine Flüssigkeitslamelle in die umgebende Gasatmosphäre eintritt und zu einzelnen Tropfen zerfällt.
Typische Druckdüsen erzeugen keine monodispersen Tropfen. Vielmehr liefern sie ein Spray, welches eine Tropfengrößenverteilung aufweist. Daher ist es wichtig, für konkrete Anwendungen Informationen über die vollständige Tropfengrößenverteilung zu erhalten.
Grobe Tropfen verursachen oftmals Probleme durch einen hohen Aufprallimpuls auf Oberflächen. Je nach physikalischen Bedingungen kommt es dann zu Sekundärzerteileffekten. Aufgrund der relativ hohen Masse grober Tropfen folgen diese kaum vorgegebenen Gasströmungen und lagern sich somit an Wandungen oder Strömungsumlenkungen ab.
Sehr kleine Tropfen hingegen sind häufig die Ursache für das Overspray-Problem. Diese weisen eine extrem geringe Masse auf und folgen somit nahezu ohne Schlupf auch Gasströmungen mit geringer Geschwindigkeit. Ein typisches Beispiel hierfür ist der unerwünschte Farbnebel beim Lackieren mit Druckgas bzw. Pressluft. In Abluft- und Filtereinheiten führt Overspray ebenfalls zu vermeidbaren Problemen.
Tipp: Maximale Austrittsgeschwindigkeit bzw. Volumenstrom an Einstoff-Druckdüsen
Die maximale Austrittsgeschwindigkeit vmax aus einer Düsenmündung kann als Funktion der Druckdifferenz Δp abgeschätzt werden:
Ist der (runde) Düsenaustritt vollständig mit Flüssigkeit gefüllt, resultiert hieraus ebenfalls der maximal mögliche Volumenstrom, der bei einer vorgegebenen Druckdifferenz Δp und einem definierten Bohrungsdurchmesser D austreten kann:
Hierbei ist jedoch Folgendes unbedingt zu berücksichtigen! Der nach den oben genannten Formeln berechnete maximale Volumenstrom wird in der Praxis nicht erreicht.
Ursache hierfür sind Reibungsverluste durch die Viskosität der zu zerstäubenden Flüssigkeit. Diese “bremst” die Flüssigkeit beim Durchströmen der Düse ab. Die reale Austrittsgeschwindigkeit und somit auch der tatsächliche Volumenstrom ist demzufolge kleiner. Hieraus resultieren zwei weitere Probleme.
- Die in Katalogen von Düsenlieferanten oftmals angegebene Formel
zur Umrechnung der gelieferten Volumenströme für beliebige Druckdifferenzen gilt in der Regel nur für Wasser als zu zerstäubendes Medium! K bezeichnet dabei einen düsenspezifischen Beiwert, welcher lediglich für eine bestimmte Düse Gültigkeit hat. Dieser ist in der Literatur auch als Durchflussziffer μ bekannt.
Kommen Flüssigkeiten mit anderer Viskosität zum Einsatz, versagt die Formel. Ebenso ist es problematisch, wenn Umrechnungen für geringe Druckdifferenzen erfolgen. Dieses näher zu erläutern würde den Rahmen der Darstellung sprengen. Es sei jedoch kurz darauf hingewiesen, dass die Reynolds-Zahl
hier eine bedeutende Rolle spielt.
- Sinkt die Strömungsgeschwindigkeit aufgrund der erläuterten Effekte unter einen bestimmten Grenzwert, findet an der Düse keine typische Zerstäubung mehr statt. Die Düse versagt.
Es ist zwar grundsätzlich möglich durch zusätzliche Einbauten in der Düse den Turbulenzgrad zu erhöhen und somit die Zerstäubung zu unterstützen. Diese Einbauten selbst verursachen jedoch einen weiteren Druckverlust, was die Problematik unter Umständen verstärkt.
Daher ist es wichtig, die für eine bestimmte Anwendung vorgesehene Einstoff-Druckdüse den geforderten Gegebenheiten individuell anzupassen. Insbesondere dann, wenn aus rheologischer Sicht problematische Flüssigkeiten zu zerstäuben sind.
Strahl bildende Turbulenz-Düsen
Druckdüsen unterscheidet man in Strahl- und Lamellen bildende Düsen. Die konstruktiv einfachste Turbulenzdüse zeigt die folgende Abbildung.
Die zu zerstäubende Flüssigkeit tritt mit einer bestimmten Geschwindigkeit aus der Mündung der Düse aus. Es bildet sich zunächst ein Flüssigkeitsstrahl. Dieser zerfällt zu relativ groben Tropfen.
Unterschreitet die Reynolds-Zahl einen kritischen Wert, kommt es nicht mehr zur Zerstäubung. Die Düse versagt.
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