Spraymesstechnik – Tropfengrößen und Geschwindigkeiten messen

Die Spraymesstechnik dient dazu, sämtliche vorhandene Tropfendurchmesser und eventuell auch die Geschwindigkeiten von Tropfen in einem Spray zu messen. Denn die meisten technischen Zerstäuber liefern ein Spray, welches verschieden große Tropfen beinhaltet.

Nur wenn vollständige Informationen über diese Tropfengrößen vorliegen, kann die Sprayeigenschaft verlässlich beurteilt werden.

Die modernen Methoden der Spraymesstechnik arbeiten hierbei berührungs- und beeinflussungsfrei. Das bedeutet, dass die Sprayeigenschaften während der Messung nicht verändert werden. Dieses ist natürlich besonders wichtig, um verlässliche und reproduzierbare Informationen zu erhalten.

Es ist sicherlich nicht immer erforderlich, vollständige Tropfengrößenverteilungen und Geschwindigkeiten für jede beliebige Düse und für jede Anwendung zu kennen.

Sind jedoch verfahrens- oder herstellungstechnische Prozesse zu optimieren, ist der Einsatz der Spraymesstechnik häufig sehr sinnvoll. Ebenso wenn beispielsweise festzustellen ist, ob Tropfen lungengängig sind. Dieses ist in der Medizintechnik, aber auch im Bereich des Arbeitsschutzes, oftmals von großer Bedeutung.

Stoff- und Wärmeübergangsvorgänge, hierzu zählen auch Verbrennungs- und Kühlungsprozesse, können nur verlässlich berechnet werden, wenn die Sprayeigenschaften detailliert bekannt sind. Ebenso sind diese Informationen wichtig, wenn weiterführende CFD-Berechnungen zu strömungstechnischen Optimierungen gefordert sind. Das sind nur einige Beispiele für den sinnvollen Einsatz einer geeigneten Spraymesstechnik.

Tropfengrößen und Verteilungen – es gibt häufig Missverständnisse!

Gerade im Zusammenhang mit Tropfengrößenverteilungen kommt es häufig zu Missverständnissen und Fehleinschätzungen!

Bis auf sehr wenige Ausnahmen liefern jedoch nahezu alle technischen Düsen und Zerstäuber keine gleich großen Tropfen! Sondern vielmehr eine Tropfengrößenverteilung. Diese weist also einen bestimmten Fein- als auch Grobanteil an Tropfen auf.

Ein Beispiel für die Bedeutung der Messung vollständiger Verteilungen.

Betrachten wir das Spray eines technischen Zerstäubers einmal genauer. Dieses beinhaltet eine Vielzahl an Tropfen, welche verschiedene Durchmesser besitzen. Zunächst definiert man nun zum Beispiel einen mittleren Tropfendurchmesser. Dieser sei beispielsweise 50 µm groß. Also 50% der Tropfen sind größer, 50% kleiner als dieser Wert.

Was sagt das über das Spray und dessen Eigenschaften insgesamt aus?

Und worauf beziehen sich diese 50% eigentlich? Ist hiermit die Anzahl an Tropfen gemeint oder bezieht sich diese Angabe auf die Mengenart Volumen beziehungsweise Masse? Es liegt auf der Hand, dass dieses einen erheblichen Unterschied ausmacht.

Ein einzelner Wert sagt gar nichts aus!

Denn es existieren theoretisch unendlich viele und grundsätzlich vollkommen unterschiedliche Tropfengrößenverteilungen, die alle den besagten mittleren Tropfendurchmesser aufweisen können! Zwei Sprays, die demzufolge einen identischen mittleren Tropfendurchmesser oder Sauterdurchmesser aufweisen, können trotzdem vollständig andere Eigenschaften besitzen.

Über den jeweiligen Anteil an besonders feinen oder extrem groben Tropfen im Spray der Düse sagt ein einzelner charakteristischer Wert demzufolge überhaupt nichts aus! Also lassen sich die beiden Spray-Eigenschaften, auch bei einem identischen Sauterdurchmesser oder mittleren Durchmesser, auch nicht miteinander vergleichen. Ein Vergleich beider Sprayeigenschaften ist somit nur durch den Einsatz der Spraymesstechnik möglich!

Wie verhält es sich also mit Problemen des Oversprays oder mit unerwünschten Tropfenabscheidungen in Rohrleitungen oder Apparaten? Welcher Zusammenhang besteht beim Beschichten oder Coating zwischen der Oberflächenbeschaffenheit und dem Spray?  

Diese wichtigen Fragestellungen können de facto nicht verlässlich beantwortet werden, wenn nur ein charakteristischer Tropfendurchmesser bekannt ist!

Weitere wichtige Argumente für den Einsatz der Spraymesstechnik!

Das wird häufig übersehen und führt oftmals zu Problemen beim realen Betrieb der Düsen.

• Angaben zu realen Tropfengrößenverteilungen für Standard-Düsen liegen meistens überhaupt nicht vor.
• Werden wenigstens Informationen zu charakteristischen Tropfendurchmessern, – meistens mittlere Tropfendurchmesser -, angegeben, beziehen sich diese Werte auf das Zerstäuben von Wasser.
• Werden real Flüssigkeiten zerstäubt, deren rheologische Eigenschaften sich von Wasser unterscheiden, sind diese dürftigen Informationen vollkommen sinnlos. Das gesamte Tropfengrößenspektrum ändert sich, wenn andere Fluide als Wasser eingesetzt werden!
• Selbstverständlich spielen die jeweiligen Betriebsbedingungen der Zerstäuber ebenfalls eine wichtige Rolle! Tropfengrößenspektren ändern sich beispielsweise auch mit dem Betriebsdruck der Düse. Diese Änderungen können nur mit einer geeigneten Spraymesstechnik festgestellt werden!
  
• Zur Verfahrensoptimierung mit nachfolgenden numerischen Strömungsberechnungen muss das vollständige Tropfengrößenspektrum bekannt sein. Sinnvoll ist dann zudem, die Tropfengeschwindigkeiten zu kennen. Das betrifft auch Fragestellungen hinsichtlich Overspray-Effekte oder dem unerwünschten Ablagern von Tropfen an Rohr- oder Behälterwandungen.

Gelegentlich sind für bestimmte Anwendungen auch Splash- und Tropfenprall-Effekte zu untersuchen. Selbstverständlich verfügen wir auch hier über die erforderliche Ausstattung. Somit lassen sich derartige Effekte detailliert auflösen.

Was kostet der Einsatz der laseroptischen Messgeräte?

Das hängt natürlich von einigen Randbedingungen ab. Zunächst einmal ist zu klären, ob die Spraymesstechnik als separate Dienstleistung zur Bestimmung der Sprayeigenschaften an bereits bestehenden Düsensystemen eingesetzt werden soll. Oder ob es um den Einsatz der Spraymesstechnik im Rahmen eines gemeinsamen Projektes geht. Die Dauer des Einsatzes der Messtechnik sowie Kosten des speziell geschulten Personals ist ebenfalls zu berücksichtigen.

Des Weiteren ist zu klären, ob bestimmte Spraymesstechniken bei Ihnen vor Ort eingesetzt werden sollen beziehungsweise können.

Ein wesentlicher Kostenfaktor ist, welche der verfügbaren Spraymesstechnik zum Einsatz kommen soll. Ist der zu zerstäubende Volumenstrom nicht zu hoch und sind keine Informationen zu Tropfengeschwindigkeiten gefordert, empfiehlt sich der Einsatz eines Laserbeugungsspektrometers. Die Messergebnisse liegen rasch vor. Messungen können in den meistens Fällen auch vor Ort durchgeführt werden.

Ist das Spray hingegen sehr dicht oder werden zusätzliche Informationen zu Tropfengeschwindigkeiten benötigt, kommt das 3D-Phasen-Doppler-Anemometer (PDA) in Betracht. Hierbei handelt es sich um eine hoch auflösende Spraymesstechnik. Dieses Verfahren ist aufwändiger und Messungen sind ausschließlich in unserem Versuchsstand möglich.

Hochauflösende eindimensionale Spraymessungen zur Bestimmung von Tropfengrößen und deren Geschwindigkeiten vor Ort können wir bei Bedarf in Kooperation mit einem unserer Partner anbieten.

Umfassende Dienstleistungen im Bereich der Spraymesstechnik, die sonst nur schwer zu finden sind.

Sie erhalten auf Wunsch Spraymessungen sowohl als Auftragsmessungen an bestehenden Zerstäubern oder natürlich auch im Rahmen gemeinsamer Projekte. Selbstverständlich prüfen unsere Experten für die Spraymesstechnik, welche Methode erforderlich, zielführend und gleichzeitig kostengünstig ist!