Einstoff-Druckdüsen: Turbulenzdüsen, Hohlkegel-Düsen und Flachstrahldüsen

Einstoff-Druckdüsen, auch kurz Druckdüsen oder Einstoffdüsen genannt, zählen zu den Düsenbauarten, die in verfahrenstechnischen Prozessen und der Produktionstechnik besonders häufig eingesetzt werden. Sie sind in der Regel verhältnismäßig preiswert, zuverlässig und benötigen für das Zerstäuben nur einen gewissen Flüssigkeitsdruck. 

Zu den bekanntesten Vertretern dieser Einstoff-Druckdüsen zählen die Turbulenz-, Hohlkegel-Düsen, -auch Hohlkegeldruckdüsen oder kurz HKD-, sowie die Flachstrahldüsen.

Einfache Lochdüse. Die konstruktiv einfachste Druckdüse.

Einfache Lochdüse ohne Einbauten. Die sicherlich konstruktiv einfachste Einstoff-Düse.

Die Kegeldüse zählt ebenfalls zu den Druckdüsen. Sie erzeugt eine Flüssigkeitslamelle.

Kegel-Düse – Sie zählt, wie auch die Hohlkegel-Druckdüse, zu den Lamellen bildende Einstoff-Druckdüsen.

Einstoff-Druckdüse mit Borda-Mündung. Turbulenz steigernd durch Umlenkungen der Flüssigkeit.

Druckdüse mit Borda-Mündung zur Turbulenz-Steigerung. Sie ist als strömungstechnische Erweiterung zur einfachen Lochdüse zu sehen.

Das ist besonders wichtig! Bei der Auswahl geeigneter Einstoff-Druckdüsen ist zunächst einmal immer zu klären, welche konkrete Aufgabenstellung zu lösen ist. Denn nicht jede Düsenbauart ist für bestimmte Anwendungen geeignet.

Kriterien, die bei der Wahl von Einstoff-Druckdüsen mindestens zu berücksichtigen sind!

  • Welche Volumenströme an Flüssigkeiten oder Suspensionen sind zu zerstäuben?
  • Welche Druckdifferenzen stehen zum Betrieb der Düse zur Verfügung?
  • Ist die Viskosität der zu zerstäubenden Flüssigkeit bekannt? Liegt ein newtonsches Fließverhalten vor?
  • Sind Feststoffe in der Flüssigkeit vorhanden?
  • Welche Spraykontur soll die Düse liefern? Wie hoch soll beziehungsweise darf der Sprayimpuls sein?
  • Soll eine gleichförmige Beaufschlagung einer Fläche realisiert werden oder geht es mehr um das Erzeugen möglichst feiner Tropfen?

Bereits hier wird deutlich, dass es erfahrungsgemäß nicht damit getan ist eine Einstoff-Druckdüse willkürlich aus einem Katalog auszuwählen. Zumal je nach Art der Strömungsführung auch noch in Strahl bildende und in Lamellen bildende Einstoff-Druckdüsen zu unterscheiden ist. Jeder Düsentyp weist hierbei individuelle Vor- und Nachteile auf. 

Volumenstrom und Viskosität spielen bei Einstoff-Druckdüsen eine wichtige Rolle!

Druckdüsen erscheinen auf den ersten Blick einfach und trivial. Dennoch sind die Strömungsverhältnisse in diesen sowie das Aufbrechen von Flüssigkeitsstrahlen oder Lamellen zu Tropfen oftmals sehr komplex. Das Vorausberechnen von Tropfengrößenverteilungen ist beim turbulenten Zerstäuben bis heute nicht verlässlich möglich!

Warum aber spielt der Volumenstrom in Verbindung mit der Viskosität eine derart wichtige Rolle?

Dieses wird kurz erörtert. Es ist grundsätzlich erforderlich, dass jedem Zerstäubungsprozess Energie zugeführt wird. Dieses ist notwendig, um eine Vielzahl an Tropfen zu bilden; das sogenannte Spray. Das Tropfenkollektiv verfügt über eine erheblich größere freie und reaktive Oberfläche als die ursprüngliche und der Düse zugeführte Flüssigkeitsmasse je Zeiteinheit.

Die Druckdifferenz Δp der Flüssigkeit sorgt also für den Zerstäubungsvorgang an Einstoff-Druckdüsen und ist somit Energielieferant für den Zerstäubungsprozess.

Die zu zerstäubende Flüssigkeit beziehungsweise eine Suspension strömt mit einer bestimmten Geschwindigkeit v aus der Düsenmündung. Es ist trivial, die maximale Strömungsgeschwindigkeit vmax zu berechnen. Diese tritt nämlich dann auf, wenn keine Reibung bei der Durchströmung der Düse auftritt. Δp ist die Druckdifferenz in Pa, ρ die Dichte der Flüssigkeit in kg/m3. Die Strömungsgeschwindigkeit selbst besitzt die Einheit m/s.

Maximale Strömungsgeschwindigkeit aus Einstoff-Druckdüsen bei einer reibungsfreien StrömungIn der Realität ist die Strömungsgeschwindigkeit natürlich geringer als nach der nebenstehenden Formel berechnet. Ursache hierfür sind real auftretende Reibungseffekte durch die Viskosität der Flüssigkeit. Dennoch ist diese einfache und überschlägige Berechnung sehr hilfreich!

An Düsen mit einer runden Düsenbohrung und vollständig mit Flüssigkeit gefülltem Düsenaustritt kann somit der Volumenstrom berechnet werden, der bei einer bestimmten Druckdifferenz maximal austritt. Also beispielsweise für Turbulenz- und Lochdüsen.

Maximaler Volumenstrom an Einstoff-Druckdüsen. Gilt nicht für Hohlkegel-Druckdüsen!Achtung! Diese Formel darf nicht für Hohlkegel-Druckdüsen verwendet werden. Hohlkegel-Düsen liefern bei üblichen Betriebsbedingungen einen kleineren Volumenstrom. Dieses liegt daran, dass der Düsenaustritt nicht vollständig mit Flüssigkeit gefüllt ist.

Tipp: Online-Rechner für Hohlkegel-Druckdüsen. Volumenstrom und Sauterdurchmesser an HKD berechnen.

TIPP: Zur überschlägigen Berechnung des Volumenstroms und die Abschätzung des Sauterdurchmessers speziell an Hohlkegel-Druckdüsen verwenden Sie doch einfach den IBR Online-Rechner für Düsen und Zerstäuber!

 

Bei einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit ist also eine definierte Düsenbohrung D erforderlich. Kleine Volumenströme haben somit kleine Bohrungsdurchmesser D zur Folge. Aufgrund der Tatsache, dass diese Abschätzungen von einer reibungsfreien Strömung in der Düse ausgehen, wird die Viskosität der Flüssigkeit nicht berücksichtigt. Real treten bei der Strömung von Flüssigkeiten und Suspensionen selbstverständlich nennenswerte Reibungen und somit Strömungsverluste auf!

Hier lauert eine Gefahr! Besonders vorsichtig muss man bei der Verwendung realer Volumenströme als Funktion der Druckdifferenz sein, die aus Katalogen der Düsenhersteller stammen. Diese gelten normalerweise für Wasser. Kommt hingegen ein höher viskoses Fluid zum Einsatz, stimmen diese Werte nicht mehr!

Einstoff-Druckdüsen können rasch versagen, wenn die Flüssigkeit eine zu hohe Viskosität aufweist!

Nicht nur der Volumenstrom nimmt mit steigender Viskosität ab; auch die zugehörige Strömungsgeschwindigkeit wird geringer. Und das kann im Extremfall dazu führen, dass die gewählte Düse gar nicht mehr in der Lage ist, ein Spray zu bilden.

Wissenschaftlicher ausgedrückt bedeutet dieses, dass ein minimal erforderlicher Betrag für die Reynolds-Zahl Re unterschritten wird. Die Folge: Die Druckdüse versagt!

Und bitte bedenken Sie. Die Viskosität von Flüssigkeiten hängt auch von der Temperatur ab! 

Daher ist es nach unseren Erfahrungen unbedingt erforderlich, die relevanten Fragestellungen im Vorfeld zum Einsatz einer Einstoff-Druckdüse zu klären. Nur so kann zuverlässig verhindert werden, dass ein gesamter Prozess problematisch verläuft oder gar scheitert.

Beratung zu Einstoff-Druckdüsen. Lamellen bildende Einstoff-Druckdüsen oder Strahl bildende Einstoff-Druckdüsen; Turbulenzdüsen.

Wir beraten Sie gerne umfassend und unverbindlich zum Einsatz von Einstoff-Druckdüsen für Ihre Aufgabenstellung. Nehmen Sie hierzu bitte einfach Kontakt zu unserer Hotline unter

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