Messen von Tropfengrößen und Spray-Eigenschaften an Düsen und Zerstäubern

Tropfengrößenverteilungen und Tropfengeschwindigkeiten reproduzierbar messen

Die meisten Zerstäuber und Düsen liefern ein Spray, welches aus verschieden großen Tropfendurchmessern besteht. Diese Sprayeigenschaften sind natürlich von besonderer Bedeutung für den gesamten verfahrenstechnischen Prozess.

Hierbei spielen oftmals nicht nur die im Spray vorhandenen Tropfendurchmesser, sondern auch deren Geschwindigkeiten eine Rolle. So beispielsweise bei der Beschichtung von Oberflächen. Einerseits muss die Tropfengrößenverteilung „stimmen“, um ein optimales Ergebnis der Beschichtung zu erhalten. Andererseits sind die Geschwindigkeit der Tropfen und somit der Impuls beim Auftreffen auf eine Oberfläche zu berücksichtigen.

Häufig treten Probleme auf, wenn sich zu grobe Tropfen eines Sprays an Apparate- oder Rohrwandungen abscheiden. Dieses hat dann zur Folge, dass sich unerwünschte Filme bilden oder Produkt anhaftet. Besonders kritisch ist dieses zum Beispiel im Bereich der Nahrungs- und Pharma-Industrie.

Weist das Spray hingegen einen unerwünscht hohen Anteil an besonders feinen Tropfen aus, - man spricht dann von einem Overspray -, resultieren hieraus ebenfalls erhebliche Probleme. Die feinen und somit sehr leichten Tropfen folgen nahezu schlupffrei vorhandenen Gasströmungen. Ein unter Umständen erheblicher Anteil an zerstäubtem Fluid findet sich in der Umgebung des Prozesses oder in filternden Einrichtungen wieder. Kritisch wird es meistens dann, wenn sich im Overspray Tropfen befinden, die lungengängig sind. Es liegt auf der Hand, dass dieses besonders bei toxischen, explosiblen oder besonders wertvollen Fluiden unbedingt zu vermeiden ist.

Wie aber gelangt man zu verlässlichen Aussagen über die relevanten Eigenschaften eines Sprays?

Es ist keinesfalls ausreichend, nur einen einzigen charakteristischen Tropfendurchmesser zu kennen!

Wenn überhaupt, bekommt man lediglich einige Informationen über den mittleren Tropfendurchmesser d₅₀ in einem Spray. Gegebenenfalls wird auch noch der Sauterdurchmesser d₃₂ angegeben. Wie nützlich sind aber diese Werte?

Sie nutzen überhaupt nicht! Und das aus folgenden Gründen.

Zum einen beziehen sich die angegebenen Werte in der Regel auf einen bestimmten Betriebspunkt beim Zerstäuben von Wasser! Zum anderen lassen sie überhaupt keinen Rückschluss darauf zu, wie das eigentliche Tropfengrößenspektrum wirklich aussieht. Wie soll man anhand eines bestimmten Wertes für den mittleren- oder den Sauterdurchmesser beurteilen, wie groß die gröbsten und wie fein die kleinsten Tropfen sind?

Und wie sieht es besonders dann aus, wenn man Flüssigkeiten zerstäubt, deren Rheologie, vor allem gemeint ist hiermit die Viskosität, sich von Wasser unterscheidet?

Wie ändern sich eigentlich die Sprayeigenschaften mit zunehmender Entfernung von der Düsenmündung?
Welche Rolle spielen hierbei Verdunstungseffekte und Tropfenkoaleszenz?

Unsere klare und auch wissenschaftlich fundierte Aussage hierzu:

Es ist definitiv nicht möglich, reale Sprayeigenschaften anhand eines einzelnen charakteristischen Tropfendurchmessers zu bestimmen!

Schon gar nicht, wenn es sich beim zu zerstäubenden Fluid eben nicht um Wasser handelt. Man muss sicherstellen, reproduzierbare Informationen über das gesamte und vollständige Tropfengrößenspektrum zu erhalten. Liegen diese nicht vor, dann ist eine weiterführende Optimierung des verfahrenstechnischen Prozesses erfahrungsgemäß äußerst spekulativ und scheitert nicht selten.

Tropfengrößenverteilungen und  Sprayeigenschaften berührungs- und beeinflussungsfrei mit PDA und Beugungsspektrometern messen.

Düsen und Zerstäuber aus unserer Entwicklung und Optimierung werden bei Bedarf nicht nur hinsichtlich ihrer Sprayeigenschaften vollständig vermessen. Wir berücksichtigen die spezifischen rheologischen Eigenschaften der Original-Fluide. Die Performance unserer Düsen bzw. Zerstäuben ermitteln wir in unseren eigenen Meßständen, indem wir das reale Fluid zerstäuben. Ist dieses aus bestimmten Gründen nicht möglich, verwenden wir Modell-Fluide, welche weitgehend in ihren rheologischen Eigenschaften dem Original entsprechen.

So stellen wir sicher, dass Ihre Spezial-Düse und der Zerstäuber nicht nur den gesetzten Anforderungen gerecht werden. Dieses ist für uns selbstverständlich. Vielmehr unterstützt unser Team aus Experten der Zerstäubungs- und Verfahrenstechnik sowie der Strömungsmechanik Sie bei der Integration der Zerstäubungstechnik in Ihre Anlage.

Das reproduzierbare Messen spezifischer Sprayeigenschaften erfolgt durch modernste und wissenschaftlich anerkannte Methoden. Hierzu setzen wir ausschließlich berührungs- und beeinflussungsfreie Laser-Messtechnik ein. Das bedeutet, das erzeugte Spray kann unter Bedingungen vermessen werden, die den realen Prozesssituationen entsprechen. Ebenso stehen hochauflösende bildgebende Verfahren zur Verfügung; Foto- und Videotechnologie. Diese sind unter Umständen von Interesse, wenn grobe Tropfen ermittelt werden sollen. Allerdings versagen diese Methoden häufig bei hohen Tropfengeschwindigkeiten, kleinen Tropfendurchmessern und/oder dichten Sprays.

Vollständige Tropfengrößenspektren messen wir mit der sogenannten Laserbeugungsspektrometrie. Sind zudem besondere Messsituationen zu berücksichtigen oder werden zusätzliche Informationen über Tropfengeschwindigkeiten gewünscht, greifen wir auf modernste Phasen-Doppler-Anemometer (PDA) zurück. Es versteht sich von selbst, dass unsere speziell geschulten Ingenieure und Physiker die Messungen durchführen und auswerten.

Das Messen der vollständigen und lückenlosen Tropfengrößenverteilung steht häufig am Anfang einer Prozessoptimierung oder der gewünschten Verfahrensverbesserung. Selbstverständlich bieten wir die hierzu erforderlichen Messungen auch als separate Dienstleistung an.

Unser Expertenteam berät Sie gerne hinsichtlich der Durchführung spezieller Messungen. In besonders problematischen Fällen stellen wir rheologisch identische Fluide zur Verfügung.