Hotline: +49 (0)251 - 2 87 99 53 - 0|info@duesen.biz

Das Düsenlexikon – Begriffe aus der Zerstäubungstechnik und Strömungsmechanik


Das vorliegende Düsenlexikon wurde von der IBR Zerstäubungstechnik GmbH erstellt. Wir haben uns große Mühe gemacht, um wichtige fachspezifische Begriffe zu erläutern. Dennoch erhebt das Düsenlexikon weder den Anspruch auf Vollständigkeit und Richtigkeit.

Im Düsenlexikon werden häufige Begriffe aus der Düsentechnik und Strömungsmechanik erläutert.

Im Düsenlexikon finden Sie schnell gut verständliche und einfache Erklärungen zu wichtigen Begriffen.

Von A wie Abtropfen bis zu Z wie Zweistoff-Düse. Suchen Sie gezielt nach definierten Begriffen oder nutzen Sie das Düsenlexikon zum Durchblättern und Stöbern.

Dieses Düsenlexikon kann und soll jedoch keine umfassende Beratung ersetzen!

Bitte nehmen Sie bei konkreten Fragestellungen Kontakt zu unseren Experten auf. Diese beantworten gerne Ihre Fragen. 

Alphabetischer Inhalt im Düsenlexikon:

A bis C

Finden Sie im Düsenlexikon Begriffe wie Abtropfen, Becherzerstäuber und Borda-Mündung bis zur Coanda-Mündung.

G bis I

Finden Sie im Düsenlexikon Begriffe wie Geschwindigkeitsziffer, Grenzflächenspannung und HKD bis zum Isentropenexponent.

M bis O

Finden Sie im Düsenlexikon Begriffe wie Mach-Zahl, Massenstromverhältnis und Mindestamplitude bis zum Overspray.

S bis U

Finden Sie im Düsenlexikon Begriffe wie Sauterdurchmesser, Schallgeschwindigkeit und Tropfenkoaleszenz bis zum Ultraschall-Vernebler.

D bis F

Finden Sie im Düsenlexikon Begriffe wie Dimensionslose Kennzahl, Durchflussziffer und Fadenbildung bis zur Fraunhofer-Beugung.

J bis L

Finden Sie im Düsenlexikon Begriffe wie Kapillare, Kavitation in der Düsenmündung und laminarer Strahlzerfall bis zur Laval-Düse.

P bis R

Finden Sie im Düsenlexikon Begriffe wie Parfüm-Zerstäuber, Prefilming-Düse und Rotationsviskosimeter bis zum Rotationszerstäuber.

 V bis Z

Finden Sie im Düsenlexikon Begriffe wie Venturi-Düse, Vollstrahldüsen und Y-Zerstäuber bis zur Zweistoff-Düse.

Das Abtropfen ist eine sehr einfache Methode zum Erzeugen monodisperser, also gleich großer, Tropfen mit dem Durchmesser x beziehungsweise D im Erdschwerefeld. Aus einer Kapillare oder einer vollständig gefüllten Düsenöffnung tritt hierbei Flüssigkeit mit sehr geringer Geschwindigkeit aus und bildet einen hängenden Tropfen.

Die Flüssigkeit darf also nicht schnell ausströmen! Daher spricht man auch von einer quasi-statischen Tropfenbildung. Der Tropfen nimmt in seiner Größe stetig zu. Überschreitet die Gewichtskraft die haltende Oberflächenspannungskraft, löst sich der Tropfen ab.

Im Fall der Nichtbenetzung ist die theoretische Tropfengröße x leicht zu berechnen. Sie hängt vom Kapillardurchmesser D, der Oberflächenspannung σ, der Flüssigkeitsdichte ρ und der Erdbeschleunigung g ab.

Theoretische Tropfengröße beim Abtropfen an einer Kapillare. Bild: IBR Zerstäubungstechnik GmbH

In der Realität sind die erzeugten Tropfen etwas kleiner als die nach der Formel berechneten. Zu unterscheiden ist ferner in Benetzung und Nichtbenetzung. Das Abtropfen wird technisch oftmals genutzt, um definierte Wirkstoffmengen abzugeben.

Abtropfen an einer Pipette - Typische Anwendung aus dem Bereich der MedizintechnikTypische Anwendung von Abtropf-Vorgängen:

Tropfflaschen zur Dosierung von Medikamenten.

Durch den leichten Druck auf die Flasche wird die Flüssigkeit ausgetragen. Die Strömungsgeschwindigkeit muss also sehr gering sein. Bei einer zu hohen Strömungsgeschwindigkeit geht das Abtropfen nämlich in den Strahlzerfall über.

Damit ein gutes Ablösen der Flüssigkeit gewährleistet ist, wird die Kapillare häufig angeschärft. Dieses führt zu einem Effekt der Nicht-Benetzung. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass die erzeugten Tropfen alle gleich groß sind. Tropfen mit einem identischen Durchmesser weisen selbstverständlich auch identische Volumen auf – Dosieren von Wirkstoffen.

Unter dem aerodynamischen Zerwellen ist eine bestimmte Form des Zerfalls von Flüssigkeitslamellen zu Tropfen zu verstehen. 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 spielen.

Das  aerodynamische Zerwellen ist ein technischer üblicher Betriebsbereich, der beispielsweise an Flachstrahldüsen, Hohlkegel-Düsen und Kegel-Düsen zu beobachten ist.

Akkustische Zerstäuber zählen zu den Sonderbauarten. Ein mit hoher Strömungsgeschwindigkeit strömendes Gas wird genutzt, um Schallwellen zu erzeugen. Diese führen zu einer Spaybildung.

Diese Düsen sind  weder eindeutig dem Ultraschallvernebler noch den Zweistoff-Düsen zuzuordnen. Einerseits nutzen sie die kinetische Energie des Gases zur Zerstäubung (Zweistoffdüsen), andererseits durch eine spezielle Strömungsführung des Gases induzierte Schwingungen. Sie konnten sich in der Praxis bislang nicht durchsetzen.

Ausflussfunktion für kompressible Strömungen an Düsen. Bild: IBR Zerstäubungstechnik GmbHDie Ausflussfunktion ist 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.

 

Das Auslaufen an Kapillaren und Düsen tritt üblicherweise bei extrem niedrigen Flüssigkeitsgeschwindigkeiten im Erdschwerefeld auf. Ab einem kritischen Kapillardurchmesser D tritt umgebende Luft ein und es kommt zum Ausbilden unregelmäßiger und grober Tropfen.

Bond-Zahl in der Düsentechnik. Ihr Betrag bestimmt, ob Auslaufen von Düsen auftritt. Bild: IBR Zerstäubungstechnik GmbH.In der Theorie tritt Auslaufen bei einem Betrag ab 28 für die dimensionslose Bond-Zahl Bo auf. Besonders bei Rotationszerstäubern mit Einzeldüsen ist das Auslaufen zu berücksichtigen. Im Erdschwerefeld spielt der Kapillardurchmesser D, die Flüssigkeitsdichte ρ und die Oerflächenspannung σ eine Rolle.

 

 

Rotationszerstäuber in der Bauform eines Becherzerstäubers. Bild: IBR Zerstäubungstechnik GmbH.Der Becherzerstäuber ist eine spezielle Bauform des Rotationszerstäubers.

Das Gebiet des Fadenzerfalls tritt hierbei bereits bei relativ geringen Flüssigkeitsvolumenströmen auf. Die Tropfenbildung im Bereich des Fadenzerfalls liefert ein nahezu monodisperses Spray. Daher wird dieser Betriebsbereich häufig genutzt, um staubfreie Feststoff-Produkte zu erhalten.

In der Lackiertechnik ist dieser Betriebsbereich ebenfalls von großem Interesse.

 

 

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. Ein Randwinkel von exakt 90o tritt in der Natur nicht auf.

Insofern kann grundsätzlich zwischen Benetzung und Nicht-Benetzung unterschieden werden.

Durch Anlagerungen und/oder Verschmutzungen an der Düsenmündung kann sich das Benetzungsverhalten im Laufe der Zeit ändern.

Randwinkel bei der Benetzung beziehungsweise Nicht-Benetzung. Bild: IBR Zerstäubungstechnik GmbH.

Die Bernoulli-Gleichung ist eine der wichtigsten Grundgleichung in der Strömungsmechanik. Der dynamische Druck, der statische Druck und der geodätische Druck einer Strömung werden hierbei betrachtet. Eine Erweiterung erfolgt durch das Einführen von Verlustgliedern.

Die Bernoulli-Gleichung ist eine der wichtigsten Grundgleichungen in der Strömungsmechanik. Bild: IBR Zerstäubungstechnik GmbH.

ξ bezeichnet hierbei den sogenannten Druckverlustbeiwert, pd ist der dyamische -, pg der geodätische – und p der statische Druck.

 Borda-Mündung zur Erhöhung des Turbulenzgrades an Einstoff-Druckdüsen. Bild: IBR Zerstäubungstechnik GmbH

Die Borda-Mündung ist eine spezielle Formgebung der Austrittsbohrung, die bei Einstoff-Druckdüsen eingesetzt wird. Die Borda-Mündung erhöht den Turbulenzgrad der strömenden Flüssigkeit. Dieses geschieht in erster Linie durch ausgeprägte Rezirkulationsgebiete und Strömungsumlenkungen.

Borda-Mündungen unterstützen ein rasches Aufbrechen des Flüssigkeitsstrahles zu Tropfen. Das bewirkt, dass die Tropfenbildung näher an der Düsenaustrittsmündung einsetzt.

Diese spezielle Mündungsform trifft man gelegentlich bei sogenannten Turbulenzdüsen an.

Unter einer Brause versteht man in der Regel eine Anordnung von gleichmäßigen Bohrungen oder besonders geformte Lochbleche.

An den einzelnen Bohrungen findet der laminare Strahlzerfall statt. Es werden viele monodisperse, also nahezu gleich große, Tropfen gebildet.

Typisches Anwendungsbeispiel: Gartenbrause.

Die Coanda-Mündung ist eine sanfte Umlenkung und Erweiterung der Düsenmündung in Strömungsrichtung. Vergleichbar mit der Kontur an einem Blechblas-Instrument wie zum Beispiel einer Trompete.

Diese Coanda-Mündung ist vorzugsweise bei Hohlkegel-Druckdüsen (HKD) anzutreffen, um den Sprühwinkel zu vergrößern. Jedoch auch vereinzelt bei Turbulenzdüsen.

Dimensionslose Kennzahlen, -auch π-Größen genannt-, spielen im gesamten Bereich der Verfahrenstechnik eine wichtige Rolle. In der Strömungsmechanik und der Zerstäubungstechnik sind sie besonders häufig anzutreffen.

Diese Kennzahlen setzen beispielsweise Kräfte, Beschleunigungen oder Längen/Durchmesser in ein Verhältnis zueinander und weisen somit naturgemäß keine Dimension auf. Eine dimensionslose Kennzahl hat also beispielsweise niemals eine Einheit wie m, s oder kg beziehungsweise Kombinationen aus diesen. 

Die Reynolds-Zahl Re ist eine der wichtigsten dimensionslosen Kennzahlen in der Strömungsmechanik.In der Strömungs- und Düsentechnik ist die beispielsweise die Reynolds-Zahl Re von sehr großer Bedeutung. Der Betrag der Reynolds-Zahl charakterisiert beispielsweise, ob eine Rohrströmung turbulent oder laminar ist. Dimensionslose Kennzahlen werden unter Anderem bei der systematischen Optimierung von Düsensystemen genutzt.

Hier finden Sie ein ausführliches Beispiel zur Dimensionsanalytik und die Vorteile in der Düsentechnik.

Luftkern im Inneren einer Hohlkegel-Druckdüse (HKD). Dieser reicht bei üblichen Betriebsbedingungen bis an den Deckel der Hohlkegeldüse. Bild: Copyright IBR Zerstäubungstechnik GmbH.Eine Drallkammer ist zum Beispiel bei Tangential-Hohlkegeldüsen anzutreffen.

Die zu zerstäubende Flüssigkeit tritt durch eine oder mehrere Bohrungen tangential in diese Kammer ein und bildet ein Rotationsfeld aus.

Im Inneren der Drallkammer entsteht ein Luftkern, der bei typischen Betriebsbedingungen von der Düsenmündung bis an den Deckel der Drallkammer reicht.

Hierdurch entsteht bei Hohlkegeldüsen, HKD, das charakteristische und typische hohlkegelförmige Sprühbild.

Hier finden Näheres zu Hohlkegel-Düsen, HKD.

Der Drallparameter ist eine wichtige dimensionslose Kennzahl zum Auslegen von Hohlkegel-Druckdüsen. Bild: IBR Zerstäubungstechnik GmbHDer Drallparameter Δ ist eine wichtige dimensionslose Kennzahl, die zum Auslegen, Dimensionieren und Optimieren von Hohlkegel-Düsen benutzt wird.

Er wird beispielsweise zur Berechnung des Volumenstroms sowie des Sprühwinkels an HKD benutzt.

Die Indizies bedeuten: E = Eintritt, K = Drallkammer und A = Austritt. Eine umfassende Darstellung dieser Kennzahl ist unseren Fachbüchern zu entnehmen. Hier finden sich auch Berechnungsbeispiele.

Die Druck-Reynolds-Zahl zählt zu den dimensionslosen Kennzahlen und wird in der Düsentechnik häufig genutzt. Bild: IBR Zerstäubungstechnik GmbHDie Druck-Reynolds-Zahl, kurz Rep genannt, ist eine in der Düsentechnik häufig verwendete dimensionslose Kennzahl. Diese wird vorzugsweise bei der Auslegung und Optimierung von HKD genutzt.

Speziell bei diesen Düsen lässt sich die Strömungsgeschwindigkeit der Lamelle messtechnich nur sehr schwer bestimmen. Da zwischen der Strömungsgeschwindigkeit und der leicht zu ermittelnden Druckdifferenz ein physikalischer Zusammenhang besteht, nutzt man vorzugsweise diesen zur Bildung der Druck-Reynolds-Zahl.

Der Druckverlustbeiwert ist eine dimensionlose Kennzahl, welche Druckverluste bestimmter Rohrleitungskomponenten, wie beispielsweise Erweiterungen, Verengungen, Krümmer, Abzweigungen, Ventile etc. charakterisiert.

Sie wir üblicherweise empirisch, also durch Experimente, ermittelt und gilt für bestimmte Reynolds-Zahlen. Meistens wird sie in der Praxis für hohe Beträge der Reynolds-Zahl benannt.

Die Durchflussziffer an Einstoff-Druckdüsen charakterisiert den Reibungsverlust beim Durschrömen der Düse. Bild: IBR Zerstäubungstechnik GmbHDie mit dem Buchstaben µ bezeichnete Durchflussziffer ist eine wichtige dimensionslose Kennzahl, die hauptsächlich  im Bereich der Einstoff-Druckdüsen genutzt wird. Sie definiert den realen Volumenstrom im Verhältnis zum theoretisch maximal möglichen Volumenstrom bei einer bestimmten Druckdifferenz.

Sie ist somit quasi ein Maß für den bei der Düsenströmung auftretenden Druckverlust. Ein geringer Wert für µ bedeutet jedoch nicht automatisch eine schlechte Düse! Vielmehr kann eine Düse mit einem relativen geringen Wert für µ ein erheblich feineres Tropfengrößenspektrum liefern als eine Düse mit einem hohen µ-Wert!

Dieser Zusammenhang ist nicht trivial. Näheres hierzu ist zum Beispiel unserer Fachliteratur zu entnehmen.

Unter dem Oberbegriff Einstoff-Druckdüsen versteht man grundsätzlich alle Düsenbauarten, bei denen die zu zerstäubende Flüssigkeit selbst als Energielieferant dient.

Ein zusätzliches Duckgas oder Druckluft wird demnach üblicherweise nicht benötigt. Detaillierte Darstellungen zu Einstoff-Druckdüsen finden Sie auf unserer speziellen Seite. Unser Special zu dieser Thematik bietet darüber hinaus umfassendere Informationen zu Turbulenzdüsen und Lamellen bildenden Zerstäubern.

Der Fadenzerfall ist ein spezieller Mechanismus der Tropfenbildung. Dieser tritt beispielsweise 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. Einerseits zur Vermeidung von Overspray-Effekten, andererseits zum Erzeugen spezieller Produkteigenschaften. Näheres hierzu findet sich auch auf der speziellen Seite zu Rotationszerstäubern.

Die Flachstrahldüse, kurz FSD genannt, ist eine Lamellen bildende und zu den Einstoff-Druckdüsen zählende Düsenbauart. Sie erzeugen eine Flüssigkeitslamelle, welche zunächst in einzelne Flüssigkeitsfäden und dann zu Tropfen zerfällt.

Die FSD wird häufig zur Beschichtung von Bahnen eingesetzt. Das Problem ist, dass die Flüssigkeitsverteilung über der Sprühbreite nicht konstant ist. Daher lässt man in der Praxis die Sprühbreiten überlappen. Diese Düsenbauart findet man häufig zum Beispiel in Waschstraßen.

Ein Begriff aus der Flüssigkeitsrheologie. Die Fließkurve wird üblicherweise mit einem sogenannten 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. 

Das Prinzip der Fraunhofer-Beugung beruht darauf, dass Licht an einem Partikel in alle Richtungen streut. Die Intensitätsverteilung selbst hängt von der Partikelgröße ab. Die physikalische Beschreibung ist relativ komplex und kann hier genauer nachgelesen werden.

Bei kugelförmigen Partikeln, wie beispielsweise Tropfen in einem Spray, besteht das Beugungslicht aus konzentrischen dunklen und hellen Ringen. Diese nennt man Beugungsringe.

Da beim Beugungsspektometer das Licht an den zu untersuchenden Teilchen, -Tropfen in einem Spray-, gebeugt wird, können die Informationen dazu genutzt werden, die Teilchengröße beziehungsweise Tropfengröße zu messen.

Dieses physikalische Prinzip nutzen wir, um mit der Laserbeugungsspektrometrie vollständige Tropfengrößenspektren an Düsen und Zerstäubern zu messen.

Die Geschwindigkeitsziffer an Düsen beschreibt in dimensionsloser Form das Verhältnis zwischen realer Strömungsgeschwindigkeit und maximal möglicher Geschwindigkeit. Bild: IBR Zerstäubungstechnik GmbH.Die Geschwindigkeitsziffer beschreibt in dimensionsloser Form das Verhältnis zwischen der realen und somit reibungsbehafteten Strömungsgeschwindigkeit v im Düsenaustritt und der theoretisch maximal möglichen reibungsfreien Strömungsgeschwindigkeit u.

Der Betrag der Geschwindigkeitsziffer bewegt sich somit naturgemäß zwischen 0 und 1.

Der Betrag von φ=1 ist somit gleichbedeutend mit einer reibungsfreien Strömung. In diesem theoretischen Grenzfall spielt die Viskosität η der Flüssigkeit keine Rolle.

Ein Betrag der Geschwindigkeitsziffer von φ=0 würde demzufolge bedeuten, dass trotz eines angelegten Differenzdruckes Δp keine Flüssigkeit aus der Düse austritt. Die reale Strömungsgeschwindigkeit v als ´0´ ist. Denkbar wäre das zum Beispiel bei der Verwendung eines extrem zähen Fluides wie Bitumen und einer geringen Druckdifferenz.

Insbesondere bei den Hohlkegel-Druckdüsen (HKD) spielt die Geschwindigkeitszahl φ eine wichtige Rolle.

Der Gleichmäßigkeitsparameter 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 verfahrenstechnischer Sicht zudem sowohl die kleinen und großen Tropfen im Spray. Overspray und unerwünschtes Abscheiden von Tropfen sind nur zwei Stichworte hierzu.

Verteilungsgesetz der RRSB-Verteilung

Der Gleichmäßigkeitsparameter n gibt in der RRSB-Verteilung an, wie hoch der Anteil an groben und feinen Tropfen ist. Ein hoher Wert von n ist somit gleichbedeutend mit einer engen Tropfengrößenverteilung. Eine ausführliche Darstellung zu den Gesetzen der Tropfengrößenverteilungen finden sich unter Anderem in der Fachliteratur.

Beachten Sie bitte auch unbedingt unsere Ausführungen zu Tropfengrößenverteilungen in Sprays!

Die Grenzflächenspannung bezeichnet die Kräfte, welche zwischen zwei verschiedenen Phasen auftreten. Hierbei können die einzelnen betrachteten Phasen sowohl fest, gasförmig oder flüssig sein. Die Grenzflächenspannung ist unter anderem dafür verantwortlich, ob eine Flüssigkeit gegenüber einem Düsenwerkstoff benetzend ist. Siehe hierzu auch Oberflächenspannung.

Tangential Hohlkegel-Druckdüse, auch kurz HKD genannt. Bild: IBR Zerstäubungstechnik GmbHDie Hohlkegel-Druckdüse wird auch Hohlkegeldüse oder kurz HKD genannt. Eine besondere Bauform der Lamellen bildenden Einstoff-Druckdüsen. Entweder axial durchströmt mit einem integrierten Drallkörper oder als Tangential-HKD mit Drallkammer.

Die HKD liefert unter üblichen Betriebsbedingungen einen hohlkegelförmigen Spray und liefert relativ feine Tropfen. Die Berechnung und Auslegung von HKD ist aufgrund des komplizierten Strömungsfeldes schwierig.

Berechnungsgleichungen sowohl für den Volumenstrom als auch für den Sauterdurchmesser an Tangential-Hohlkegeldruckdüsen wurden von Thomas Richter empirisch erarbeitet und publiziert.

TIPP:  Mit unserem Online-Rechner für Hohlkegel-Druckdüsen können Sie überschlägig für verschiedene Düsen-Geometrien und Flüssigkeiten den Sauterdurchmesser und Volumenstrom berechnen.

Eine auf den ersten Blick ungewöhnliche Erscheinung, die beim Zerstäuben von Flüssigkeiten mit Hohlkegel-Düsen 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 Düsenaustritt mit Fluid gefüllt ist. Danach sinkt der Volumenstrom wieder ab und zeigt ein für Einstoff-Druckdüsen typisches Verhalten. Dieses Phänomen ist besonders bei der Erwärmung von Flüssigkeiten (Ölbrenner) zu berücksichtigen!

Das Höppler-Viskosimeter ist eine spezielle Bauform des Kugelfall-Viskosimeters, mit welchem die Viskosität newtonscher Flüssigkeiten gemessen werden kann. Insofern eine Alternative zu dem Kapillar-Viskosimeter.

Je nach verwendeter Fallkugel kann auch die Viskosität von Gasen bestimmt werden. Das Viskosimeter kann ebenfalls temperiert werden, so dass die Viskosität bei gewünschten Temperaturen gemessen werden kann.

Voraussetzung für die Messungen ist, dass das Fluid transparent ist. Denn es wird die Zeitdauer bestimmt, welche die Kugel benötigt um eine bestimmte Wegstrecke zurückzulegen.

Die Viskosität newtonscher Flüssigkeiten lassen sich in einer Bandbreite von etwa 0,5 bis 80000 cP messen.

Eine spezielle Bauart der Zweistoff-Düse beziehungsweise des pneumatischen Zerstäubers, bei welcher Flüssigkeit und Druckgas bereits im Inneren der Düse vermischt werden. Näheres zu den Zweistoff-Düsen innerer Mischung.

Der Isentropenexponent ist eine dimensionslose Kennzahl zur Berechnung von (kompressiblen) Gasströmungen. Für Luft gilt: κ = 1,4

Unter einer Kapillare versteht man in der Düsen- und Zerstäubungstechnik eine einfache Düsenöffnung ohne spezielle Einbauten. Drall- oder Turbulenzkörper werden in einfachen Kapillaren üblicherweise nicht genutzt.

Einfache Abtropfvorgänge finden zum Beispiel üblicherweise an Kapillaren statt. Eine typische Anwendung für Abtropfvorgänge sind Tropfflaschen in der Medizintechnik. Zum Beispiel für Augentropfen.

TIPP: Mit unserem Online-Rechner für Abtropfvorgänge können Sie den erzeugten Tropfendurchmesser als Funktion des Durchmessers einer Kapillaren berechnen.

Auch Brausen weisen üblicherweise Kapillaren aufweisen. Ein Typisches Beispiel sind die bekannten Gartenbrausen. Hier ersetzen einzelne Bohrungen in einem Blech die Kapillaren. Die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit ist höher als bei dem Abtropfen. Dieses führt dann zum sogenannten laminaren- oder Rayleigh´schen Strahlzerfall.

TIPP: Nutzen Sie den Online-Rechner für den laminaren Strahlzerfall, um die Größe der monodispersen Tropfen an Kapillaren zu berechnen.

Das Kapillarviskosimeter ist eine relativ einfach aufgebaute Messeinrichtung, um die Viskosität newtonscher Flüssigkeiten zu bestimmen.

Eine exakt definierte Flüssigkeitsmenge durchströmt laminar eine Kapillare. Aus der hierzu benötigten Zeit und einem bekannten und gerätespezifischen Korrekturfaktor lässt sich die Viskosität leicht errechnen.

Kapillarviskosimeter eignen sich nicht für nicht-newtonsche Flüssigkeiten. Aufgrund der Verstopfungsgefahr sollten ferner keine Suspensionen mit Kapillarviskosimetern gemessen werden.

Kavitation in der Düsenmündung. Bild: IBR Zerstäubungstechnik GmbHKavitation tritt auf, wenn der Dampfdruck einer Flüssigkeit unterschritten wird. Dieses kann zum Beispiel in der 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. Das Aufbrechen des Flüssigkeitsstrahles an einer Einstoff-Druckdüse kann bei einem günstigen Verhältnis von Bohrungslänge zum Bohrungsdurchmesser begünstigt werden!

 

 Die Kegeldüse zählt zu den Lamellen bildenden Einstoff-Druckdüsen. Bild: IBR Zerstäubungstechnik GmbHDie Kegel-Düse gehört zu den Lamellen bildenden Düsen zählende Bauart der Einstoff-Druckdüsen. Die aus der Düsenmündung austretende Flüssigkeit wird über einen Kegel geleitet, welcher einen definierten Winkel aufweist. Dabei entsteht das typische hohlkegelförmige Sprühbild. Insofern kann die Kegeldüse als Vorstufe der Hohlkegel-Druckdüse angesehen werden.

Allerdings sind die engen Spalte zwischen dem Kegel und dem Düsenaustritt manchmal problematisch; Verstopfungsgefahr.

Formel zur Berechnung der Lamellendicke an einer Kegelduese. Bild: IBR Zerstäubungstechnik GmbHFormel zur Berechnung der Lamellendicke δ als Funktion der Lauflänge r an einer einfachen Kegeldüse.

Bestimmte Einstoff-Druckdüsen bilden keinen kompakten Flüssigkeitsstrahl im Nahbereich der Düsenmündung aus, sondern vielmehr eine Lamelle. Diese zerfällt nach einer gewissen Entfernung hinter der Düsenmündung zu Tropfen. Lamellen bildende Einstoff-Druckdüsen liefern üblicherweise feinere Tropfen als Strahl bildende Einstoff-Druckdüsen.

Unter den Lamellen bildenden Düsen versteht man bei Einstoff-Druckdüsen die Düsen, die anstelle eines mehr oder minder kompakten Flüssigkeitsstrahles eine Lamelle ausbilden.

Diese Lamelle zerfällt in einer bestimmten Entfernung von der Düsenmündung zu einem Spray. Typische Vertreter Lamellen bildender Düsen sind Flachstrahldüsen, Hohlkegel- und Kegeldüsen.

Der laminare Strahlzerfall tritt auf, wenn eine Flüssigkeit mit nicht zu hoher Strömungsgeschwindigkeit aus einer Kapillaren austritt. Am Ort des Strahlzerfalls bilden sich gleich große, also monodisperse, Tropfen. Dieses Phänomen ist beispielsweise bei Gartenbrausen zu beobachten.

Tropfengröße beim laminaren Strahlzerfall. Bild: IBR Zerstäubungstechnik GmbH.Die Formel besitzt Gültigkeit für nieder viskose Flüssigkeiten. Interessant ist, dass mit der Methode des laminaren beziehungsweise Rayleigh´schen Strahlzerfalls bei der Verwendung höher viskoser Flüssigkeiten sehr kleine Tropfendurchmesser erzeugt werden können. Dieses sind dann ebenfalls gleich groß, also monodispers.

 

Die Lamellenzahl ist eine dimensionslose Kennzahl, welche zur Beschreibung des Lamellenzerfalls genutzt wird. Das Produkt aus der Lamellendicke δ und dem Abstand r von der Düsenachse bezeichnet man als Lamellendickenparameter K. Siehe auch die entsprechende Fachliteratur.

Die Laserbeugungsspektrometrie ist eine laseroptische, berührungs- und beeinflussungsfreie Methode zum Messen der vollständigen Tropfengrößenverteilung in einem Spray.

Beispiel einer Messauswertung und eine detaillierte Darstellung der Laserbeugungsspektrometrie

Die Laval-Düse ist eine spezielle Düsenform, mit welcher bei einer Gasströmung eine Überschall-Strömung erzeugt werden kann. Sie weist einen konvergent-divergenten Strömungsquerschnitt auf.

Das strömende Gas tritt mit Unterschallgeschwindigkeit in den konvergenten Teil der Düse ein. Hierbei wird sie beschleunigt. Im engsten Querschnitt der Lavaldüse erreicht die Strömung die Schallgeschwindigkeit. Durch den weiteren divergenten Strömungsquerschnitt erfolgt eine weitere Beschleunigung, sodass am Ende der Düse eine Überschallströmung erreicht wird. 

 Mach-Zahl in der StrömungsmechanikUnter der Mach-Zahl versteht man eine dimensionslose Kennzahl in der Strömungsmechanik, welche die reale Strömungsgeschwindigkeit u in ein Verhältnis zur Schallgeschwindigkeit c setzt.

Die jeweiligen Mach-Zahlen werden üblicherweise wie folgt unterschieden:

  • Ma < 1  Unterschall- bzw. Subsonische Strömung
  • Ma=1    Schall-Strömung
  • Ma>1    Überschall- bzw. Supersonische Strömung
  • Ma>>1  Hyperschall

Die Beladung beschreibt das Massenstromverhältnis zwischen Druckgas und Flüssigkeit an Zweistoff-Düsen. Bild: IBR Zerstäubungstechnik GmbHDas Massenstromverhältnis, auch Beladung genannt, stellt eine wichtige dimsionslose Kennzahl für Zweistoff- beziehungsweise pneumatische Düsen dar. Diese Kennzahl gibt an, wie viel Massenstrom an Druckgas im Verhältnis zum Flüssigkeitsmassenstrom zur Verfügung steht.

Achtung! Der Massenstrom darf nicht mit dem Volumenstrom verwechselt werden!

Tendenziell werden die Tropfengrößen im Spray einer Zweistoff-Düse mit steigender Beladung µ kleiner. Es existieren aber physikalische Grenzbereiche. Ab einem bestimmten kritischen Wert für µ tritt kein weiterer nennenswerter Effekt in Bezug auf das Tropfengrößenspektum mehr auf.

Daher kommt es bei der Auswahl beziehungsweise Auslegung einer Zweistoff-Düse auch darauf an, das erwünschte Sprühergebnis mit einem möglichst geringen Wert für die Beladung µ zu erreichen. Dieses ist nicht nur im Interesse einer Energieeffizienz und somit auch der Kostenreduzierung von Bedeutung! Zu hohe Massenstromverhältnisse führen oftmals auch darüber hinaus zu Problemen im Bereich des Oversprays.

Unter einer Mehrphasenströmung versteht man in der Strömungsmechanik Ströme aus verschiedenen einzelnen Stoffen. Das können beispielsweise unmischbare Flüssigkeiten wie Öl und Wasser sein, die sich in einer Rohrleitung bewegen. Auch Feststoffe und Flüssigkeiten bilden eine Mehrphasenströmung aus.

In der Düsen- und Zerstäubungstechnik sind insbesondere Mehrphasenströmungen aus einem Gas (Luft) und einer Flüssigkeit interessant. So nutzen beispielsweise die Zweistoff-Düsen innerer Mischung die besonderen Eigenschaften von Mehrphasenströmungen aus, um feine Tropfen auch bei der Verwendung höher viskoser Flüssigkeiten zu erzeugen.

Das Berechnen von Mehrphasenströmungen ist sehr komplex und aufwendig. Daher bedient man sich in der Regel den Methoden der numerischen Strömungsmechanik; CFD. Gegebenenfalls werden auch dimensionsanalytische Verfahren und die Ähnlichkeitstheorie eingesetzt.

 

Mindestamplitude am Ultraschallvernebler. Bild: IBR Zerstäubungstechnik GmbH

Die Mindestamplitude ist erforderlich, damit sich an Ultraschall-Verneblern Kapillarwellen ausbilden können.

Die Navier-Stokes-Gleichung in der StrömungsmechanikDie Navier-Stokes Gleichung ist eine wichtige Grundgleichung in der Strömungsmechanik. Bei ihr handelt es sich um eine nichtlineare und partielle Differentialgleichung.

Eine vollständige analytische Lösung besteht bislang nicht. Die numerische Strömungsberechnung, CFD, nutzt unter anderem diese Gleichung zur Lösung spezieller strömungstechnischer Aufgabenstellungen.

 

 Innendruck in einem Tropfen aufgrund der Oberflächenspannung. Bild: IBR Zerstäubungstechnik GmbHDie Oberflächenspannung ist ein spezifischer Stoffwert einer Flüssigkeit. Sie ist von der Temperatur abhängig. Bei fast allen Flüssigkeiten nimmt die Oberflächenspannung mit steigender Temperatur ab. In der Düsentechnik spielt die Oberflächenspannung eine Rolle beim Zerfall von Flüssigkeitsstrahlen und Lamellen zu Tropfen. Auch das weitere Zerteilen von Tropfen wird maßgeblich von dieser Größe beeinflusst. 

Die Oberflächenspannung σ erzeugt im Inneren eines Tropfens einen stabilisierenden Überdruck. Dieser ist unter Anderem dafür verantwortlich, dass sich kleine Tropfen nur sehr schlecht weiter zerteilen lassen.

Beispiel: Innendruck im Wassertropfen mit x=1 µm, pi=2,88 bar!

Hier finden Sie eine ausführlichere Darstellung zur Oberflächenspannung und Methoden zur Messung dieser.

Unter dem Begriff Overspray versteht man üblicherweise den unerwünschten Feinanteil in einer Tropfengrößenverteilung. Dieser kann zu Problemen in filternden Abscheidern, bei der Produktgüte (Staub), bei der Kontamination der Umgebung sowie einem nicht vertretbaren Wertststoff-Verlust führen.

Der Anteil an Overspray kann nur durch eine vollständige Analyse des Tropfengrößenspektrums ermittelt werden. Hierzu kommen dann laseroptische Messmethoden der Sprayeigenschaften zur Anwendung.

 

Der Parfüm-Zerstäuber als eine spezielle Bauart der Zweistoff-Düse äußerer Mischung. Bild: Copyright IBR Zerstäubungstechnik GmbHDer sogenannte Parfüm-Zerstäuber ist eine spezielle Bauart der Zweistoff-Düse äußerer Mischung. Diese Düsenbauart arbeitet selbst ansaugend, sofern der Gasdifferenzdruck ausreichend hoch ist und die Viskosität der Flüssigkeit einen bestimmten Betrag nicht überschreitet. Das bedeutet, dass in vielen Fällen eine zusätzliche Pumpe überflüssig ist. Der zerstäubte Volumenstrom ist von der Düsengeometrie, der Rheologie der Flüssigkeit, dem Gasdifferenzdruck Δp und der Ansaughöhe abhängig. 

Dieser Düsentyp ist in der Lage auch sehr geringe Volumenströme zu sehr feinen Tropfen zu zerstäuben.

Die Abbildung zeigt eine Spezialanfertigung der IBR Zerstäubungstechnik GmbH.

Wir verfügen über ein umfassendes Know-how im Bereich der Zerstäubung sehr kleiner Volumenströme. Auch wenn die Rheologie der Flüssigkeit problematisch ist!

Das Phasen-Doppler-Anemometer wird auch kurz PDA oder PDPA genannt. Es handelt sich um eine laseroptische, und somit berührungs- und beeinflussungsfreie Methode, zum simultanen Messen der Tropfengrößen und der Tropfengeschwindigkeiten.

PDA Messungen sind verhältnismäßig anspruchsvoll. Dennoch ist dieses Verfahren sehr nützlich, da sich jedoch sehr detaillierte Erkenntnisse gewinnen lassen! Dieses ist besonders bei der Optimierung von intelligenten Düsensystemen von großem Vorteil.

Hoch auflösende 3-D Felder von Sprays können mit dieser Methode erstellt werden. Messungen mit dem Phasen-Doppler-Anemometer bietet die IBR Zerstäubungstechnik GmbH als Dienstleistung an.

Hier finden Sie umfassendere Informationen zum Phasen-Doppler-Anemometer und den Dienstleistungen, die wir für Sie bereit halten.

Der Ausdruck pneumatischer Zerstäuber ist lediglich ein anderer, nicht so häufig genutzter Begriff für Zweistoff-Düsen.

 

Schematische Darstellung der Zweistoff-Düse äußerer Mischung mit Prefilming-Fläche. Bild: IBR Zerstäubungstechnik GmbHDie Prefilming-Düse ist eine häufig anzutreffende Bauart der Zweistoff-Düsen äußerer Mischung. Bei diesen Düsen treffen Flüssigkeit und Gas erst außerhalb der Düse aufeinander und bilden einen feinen Spray aus. Dieses erklärt auch den Begriff der außen mischenden Zweistoff-Düse.

Die Breite der Prefilming-Fläche ist mit verantwortlich für die Feinheit des Sprays. Eine zu kleine Prefilming-Fläche führt zu relativ groben Tropfen. Ist die Prefilming-Fläche jedoch zu groß, kann dieses zu einem instationären Spray führen.

Es bedarf einer großen Erfahrung, um Zweistoff-Düsen äußerer Mischung optimal auszulegen. Neben den eigentlichen Betriebsbedingungen müssen unbedingt die rheologischen Eigenschaften der zu zerstäubenden Fluide berücksichtigt werden.

Hier erhalten Sie nähere Informationen zu Zweistoff-Düsen äußerer Mischung.

 

Zerfall einer Flüssigkeitslamelle. Bild: IBR Zerstäubungstechnik GmbH.Die Randwulstkontraktion ist eine besondere Ausbildung des Lamellenzerfalls. Sie findet üblicherweise bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten der Flüssigkeitslamelle statt. Durch die Oberflächenspannung bildet sich am Rand der Lamelle ein wulstförmiger Ring. Dieser zerfällt zu relativ groben Tropfen.

Die Randwulstkontraktion ist in vielen Fällen unerwünscht. Die Randwulstkontraktion tritt bei bestimmten Randbedingungen auch an Flachstrahl-Düsen auf. Sie ist maßgeblich für die ungleichförmige Flüssigkeitsverteilung verantwortlich.

 

Bei dem Rotationsviskosimeter handelt es sich um ein Messgerät, mit welchem die Viskosität  sowohl newtonscher als auch nicht-newtonscher Fluide ermittelt werden kann.

Strömungstechnische Grundlage dieser Viskosimeter ist üblicherweise eine Strömung, welche im Spalt zweier koaxialer, sich gegeneinander gleichförmig drehender Zylinder entsteht.

Mit Rotationsviskosimetern können leicht Fließkurven erstellt werden.

Fließkurven verschiedener Flüssigkeiten. Bild: IBR Zerstäubungstechnik GmbH

Rollwellen der Zweiphasen-Strömung. Bild: IBR Zerstäubungstechnik GmbHRollwellen sind eine spezielle Form der Zweiphasen-Strömung.

Diese tritt unter Anderem in Steigröhrchen von Sprühflaschen auf.

Durch Rollwellen lassen sich relativ feine Tropfendurchmesser erzeugen.

 

 

Rotationszerstäuber sind eine spezielle Zerstäuberbauart, die zu den mechanischen Zerstäubern zählt. Sie liefern einen Spray mit einem Winkel von 360o.

Die meisten Rotationszerstäuber arbeiten nahezu vollständig verstopfungsfrei. Sie sind ferner in der Lage, bei bestimmten Betriebsbedingungen monodisperse, also gleich große, Tropfen zu liefern. Hier finden sich ausführlichere Darstellungen und weitere Erläuterungen zu Rotationszerstäubern.

 

 

 

Der Sauterdurchmesser alleine reicht nicht aus, um die Spraygüte an einer Düse oder einem Zerstäuber vollständig darzustellen. Bild: IBR Zerstäubungstechnik GmbHDer Sauterdurchmesser x32 oder D32 ist ein sogenannter charakteristischer Tropfendurchmesser zur Beurteilung der Güte eines Sprays oder eines Haufwerkes. Er kommt häufig zum Berechnen von Stoff- und Wärmeübergangsprozessen zum Einsatz.

Der Sauterdurchmesser alleine reicht jedoch keinesfalls aus, die Eigenschaften eines Sprays vollständig darzustellen! Sofern es sich um einen Sprüh handelt, sollte mindestestens zudem der Gleichmäßigkeitsparameter n der üblicherweise verwendeten RRSB-Verteilung bekannt sein.

Eine hohe Sicherheit und die Gewähr, dass reproduzierbare Informationen über ein Tropfengrößenspektrum vorliegen, bieten laseroptische Messmethoden. Nur so können auch die Anteile an groben beziehungsweise feinen Tropfen in einem Spray ermittelt werden. Dieses ist unter anderem für nachfolgende numerische Strömungsberechnungen, CFD, von großer Bedeutung.

Die IBR Zerstäubungstechnik GmbH bietet im Rahmen von Dienstleistungen laseroptische Messungen von vollständigen Tropfengrößenverteilungen mit verschiedenen Messmethoden an. Auch an bereits bestehenden Düsensystemen und für Expertisen und Gutachten.

Unter Satellitentropfen versteht man sekundäre und kleine Tropfen, die beim laminaren- beziehungsweise Rayleigh´schen Strahlzerfall entstehen können. Das Entstehen von Satellitentropfen kann beispielsweise durch überlagerte Impulse kleiner Amplitude vermieden werden. Für die meisten technischen Anwendungen sind Satellitentropfen jedoch nicht besonders problematisch.

Das Ausbilden von Satellitentropfen wird durch höhere Flüssigkeitsviskositäten begünstigt.

Die Schallgeschwindigkeit bezeichnet die maximale Strömungsgeschwindigkeit eines Gases durch eine Düse beziehungsweise Bohrung. Sie ist abhängig von der Temperatur, der Gaskonstante und dem Isentropenexponenten. Überschallströmungen lassen sich nur durch Laval-Düsen erzeugen.

 

Spritzerströmung - eine besondere Form der Zweiphasenströmung, die in Zweistoff-Düsen innerer Mischung genutzt wird. Bild: IBR Zerstäubungstechnik GmbHDie Spritzerströmung stellt eine besondere Strömungsform der Zweiphasen-Strömung dar.

Sie spielt bei Zweistoff-Düsen beziehungsweise pneumatischen Zerstäubern innerer Mischung eine wichtige Rolle.

Damit diese Strömungsform erreicht wird, sind strömungstechnische als auch rheologische Maßgaben zu berücksichtigen.

Hier erhalten Sie nähere Informationen zu Zweistoff-Düsen äußerer Mischung.

 

Nahezu alle technischen Zerstäuber erzeugen Tropfen verschiedener Durchmesser im Sprüh. Um die reale Qualität eines Sprays zu beurteilen, ist daher die Kenntnis der gesamten Tropfengrößenverteilung von großer Bedeutung.

Dank moderner laseroptischer Messverfahren ist es heute möglich, verlässliche Aussagen über sämtliche im Spray befindlichen Tropfengrößen zu treffen.

 

Unter der Tropfenkoaleszenz versteht man das Zusammenfließen zweier (oder mehrerer) 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!

Dennoch ist es von Bedeutung, bei Messungen der Sprayeigenschaften reproduzierbare Randbedingungen einzuhalten. Hierzu zählt somit auch der der Abstand zwischen der Düsenmündung und dem eigentlichen Messort. Nur so ist sicher zu stellen, dass verschiedene Effekte der Tropfenkoaleszenz nicht zu einer Verfälschung des Messergebnisses führen.

Schematische Darstellung einer einfachen Turbulenzdüse; hier als Lochdüse. Bild: IBR Zerstäubungstechnik GmbHDie Turbulenzdüse zählt zu den klassischen Einstoff-Druckdüsen. Die Flüssigkeit tritt bei diesen Düsen mehr oder minder als kompakter 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. Die konstruktiv einfachste Turbulenzdüse ist die in der Abbildung gezeigte Lochdüse.

 

 

Ultraschall-Vernebler oder Ultraschall-Zerstäuber zählen streng genommen zu den mechanischen Zerstäubern. Das Prinzip der Tropfenbildung besteht in den meisten Fällen darin, dass ein Flüssigkeitsfilm durch einen piezoelektrischen Schwinger angeregt wird.

Ist die Amplitude sowie die Intensität hinreichend groß, bilden sich auf dem Flüssigkeitsfilm Täler und Berge aus. Infolge der Oberflächenspannung σ schnüren sich aus den Bergen dann einzelne Tropfen ab. Diese Tropfen sind nahezu impulsfrei. Sie weisen also keine nennenswerte Eigengeschwindigkeit auf.

Sollen höher viskose Flüssigkeiten oder Flüssigkeiten mit geringer Oberflächenspannung vernebelt werden, kommen Ultraschall-Zerstäuber rasch an Grenzen.

Lesen Sie mehr zu Ultraschall-Verneblern.

 

 

 

 Prinzip der Venturi-Düse. Bild: IBR Zerstäubungstechnik GmbHDie Venturi-Düse zählt streng genommen zu den Zweistoff-Düsen innerer Mischung. Flüssigkeit und Gas werden also bereits im Inneren des Zerstäubers gemischt und erzeugen eine Zweiphasenströmung. Am Düsenaustritt kommt es dann aufgrund der strömungstechnischen Besonderheiten der Zweisphasen-Strömung zu einer Nachzerteilung grober Tropfen.

Venturidüsen arbeiten bei hinreichend hohen Gasdifferenzdrücken und nieder viskosen Flüssigkeiten selbstansaugend. 

In vielen Vergasern für Kraftstoffe sind Düsen zu finden,  die nach dem Prinzip der Venturi-Düse Kraftstoff aus einem mit Schwimmer geregelten Reservoir ansaugen und zerstäuben. Innerhalb der Venturi-Düse wird hierbei ein Zweiphasen-Gemisch ausgebildet. Bei einer günstigen Auslegung der Venturi-Düse können somit nach dem Prinzip der Zerstäubung mit Zweistoff-Düsen innerer Mischung verhältnismäßig kleine Tropfendurchmesser beziehungsweise feine Tropfengrößenverteilungen erzeugt werden.

Das Prinzip der Venturi-Düse kann zudem dazu genutzt werden, die Strömungsgeschwindigkeit von Flüssigkeiten und Gasen zu messen. Eine weitere Anwendung der Venturi-Düse besteht darin, Gase abzusaugen. Dieses entspricht dann dem Funktionsprinzip einer Wasserstrahl-Pumpe.

Die Viskosität kann gedanklich als Widerstand interpretiert werden, den eine Flüssigkeit oder ein Gas einer aufgeprägten Bewegung entgegensetzt. Bereits aus der Erfahrung ist bekannt, dass “Honig” sehr zäh flüssig ist, Wasser hingegen dünn flüssig.

Die Viskosität ist eine der wichtigsten Stoffgrößen für die Düsen- und Zerstäubungstechnik. Sie entscheidet oftmals in Verbindung mit dem zu zerstäubenden Volumenstrom darüber, ob ein bestimmtes Zerstäubungsverfahren beziehungsweise spezifische Düsenbauarten überhaupt sinnvoll angewendet werden können.

Unterscheiden muss man hierbei in Flüssigkeiten, die ein newton´sches oder nicht-newton´sches Fließverhalten aufweisen. Bei nicht-newton´schen Flüssigkeiten ist es oftmals problematisch, die in einer Düsenströmung real herrschende Viskosität zu bestimmen. Dieses hängt damit zusammen, dass die Schergefälle in den verschiedenen Düsengeometrien nicht genau bekannt sind. In diesen Fällen bieten sich experimentelle Untersuchungen an. Gegebenenfalls unter ähnlichkeitstheoretischen Methoden.

Ferner muss berücksichtigt werden, dass die Viskosität der Flüssigkeiten als auch der Gase von der Temperatur abhängt. Bei Flüssigkeiten nimmt die Viskosität mit steigender Temperatur üblicherweise ab. Bei Gasen hingegen steigt sie mit zunehmender Temperatur an.

Eine detaillierte Darstellung zur Viskosität finden Sie hier.

Bei der Zerstäubung mit Einstoff-Druckdüsen ist es üblicherweise gewünscht, einen raschen Zerfall eines Flüssigkeitsstrahles oder einer Lamelle zu Tropfen zu realisieren. Aus diesem Grund weisen diese Düsenbauarten auch häufig separate und Turbulenz steigernde Einbauten oder spezielle Formen der Düsenmündung auf.

Soll hingegen ein hoher Impuls übertragen werden, muss der Flüssigkeitsstrahl möglichst lange kompakt gehalten werden.

Dieses erreicht man, indem scharfe Umlenkungen und zusätzliche Turbulenzen in der Düse vermieden werden. Typische Anwendungen für diese Vollstrahl- beziehungsweise Glattstrahldüsen sind das Reinigen, Schneiden und Trennen.

 

 

Eine spezielle Zweistoff-Düse: Der Y-ZerstäuberDer Y-Zerstäuber ist eine zu den Zweistoff-Düsen zählende und spezielle Düsenbauart. Sie wird vereinzelt dort genutzt, wo besonders hoch viskose Flüssigkeiten zu zerstäuben sind.

Also beispielsweise zum Zerstäuben von Schwerölen für Schiffsantriebe. Der Betrieb erfolgt sinnvollerweise oftmals mit Dampf. Hierbei kommt es bereits im Inneren des Y-Zerstäubers zu einem intensiven Wärmeaustausch zwischen dem Dampf und der zu zerstäubenden Flüssigkeit.

Aufgrund der Tatsache, dass die Viskosität von Flüssigkeiten unter anderem eine Funktion der Temperatur ist, führt dieses zu einer Reduzierung der Viskosität. Das begünstigt die Zerstäubung und führt zu feineren Tropfengrößenverteilungen.

Die Feinheit des erzeugten Tropfengrößenspektrums insgesamt hängt von vielen Faktoren ab. Zum einen von der Rheologie der Fuide, von der Beladung µ als auch von den Strömungsgeschwindigkeiten. Und zudem selbstverständlich von der geometrischen Ausgestaltung des Y-Zerstäubers selbst.

Unter einer Zungendüse versteht man eine konstruktiv und strömungsmechanisch einfach aufgebaute Einstoff-Druckdüse. Aus einer zentralen Bohrung strömt die Flüssigkeit auf eine angeformte ebene Strömungsfläche und bildet einen Flüssigkeitsfilm aus. Dieser zerfällt dann zu relativ groben Tropfen.

Zungendüsen finden sich häufig in der Landwirtschaft, wo sie zum Ausbringen von Gülle auf Feldern genutzt wird.

Die Zweisphasenströmung ist eine Strömungsform, welche aus zwei verschiedenen Phasen besteht. In der gesamten Düsen- und Zerstäubungstechnik in erster Linie also beispielsweise aus Flüssigkeit und Gas beziehungsweise Dampf. Die Zweiphasenströmung spielt in der Düsentechnik hierbei eine große Rolle. Alle Zweistoff-Düsen mit innerer Mischung erzeugen eine derartige Zweiphasenströmung.

Für diese gelten besondere physikalische Zusammenhänge; so bspw. eine relativ geringe Schallgeschwindigkeit. Das Berechnen von Zwei- und Mehrphasenströmungen ist sehr komplex. Häufig wird die numerische Strömungssimulation CFD eingesetzt, um mehrphasige Strömungen zu berechnen. Auch die Ähnlichkeitstheorie stellt hier ein nützliches Werkzeug dar.

Zweistoff-Düse ist der Oberbegriff für Düsen, bei welchen zusätzliches Druckgas oder Dampf als Energielieferant dient. Strömungstechnisch betrachtet bedeutet dieses, dass die Flüssigkeiten selbst nur unter geringem Differenzdruck zugeführt werden muss. Einige Bauarten von Zweistoff-Düsen arbeiten zudem selbst ansaugend. In diesem Fall ist keine Pumpe oder Druckvorlage zum Betrieb erforderlich.

Die Zweistoff-Düsen liefern in der Regel ein sehr feines Spray und können auch gut höher viskose Flüssigkeiten bei kleineren Volumenströmen zerstäuben. Dieses unterscheidet sie grundlegend von den Einstoff-Druckdüsen.

Unterschieden wird ferner in Zweistoff-Düsen innerer und äußerer Mischung. Das Auslegen und Optimieren von Zweistoff-Düsen ist aufgrund der komplexen Wechselwirkungen zwischen der zu zerstäubenden Flüssigkeit und dem strömenden Gas nicht ganz trivial.

Eine detaillierte Darstellung zu Zweistoff-Düsen finden Sie hier.