Turbulenzdüsen und Strahl bildende Düsen. Eine bestimmte Bauart der Einstoff-Druckdüsen

Die konstruktiv einfachste Bauart der Turbulenzdüsen ist die einfache Strahl bildende Düse. Sie besteht im Grunde aus einer einfachen Bohrung. Aus dieser tritt die zu zerstäubende Flüssigkeit aus.

Die konstruktiv einfache Lochdüse zählt zur Bauart der Einstoff-Druckdüsen. Bild: IBR Zerstäubungstechnik GmbHDie Flüssigkeit strömt mit relativ moderater Geschwindigkeit durch die Düse der Düsenbohrung zu. Diese weist einen kleineren Strömungsquerschnitt als die Flüssigkeitsspeisung innerhalb der Düse auf. Die Austrittsgeschwindkeit an der Düsenmündung selbst hängt von der Druckdifferenz Δp, der Dichte ρ der Flüssigkeit und real natürlich von der Viskosität η ab.

Im Nahbereich der Düsenmündung kann man zunächst einen mehr oder minder kompakten Flüssigkeitsstrahl beobachten. Mit zunehmender Entfernung von der Düse wird dieser instabil und zerfällt zu verschieden großen Tropfendurchmessern.

Es wird also ein Spray ausgebildet, welches eine Tropfengrößenverteilung aufweist. In verfahrenstechnischen Anwendungen wird zur Beschreibung der Sprayeigenschaften häufig der Sauterdurchmesser d32 oder der mittlere Tropfendurchmesser d50 verwendet.

Hier lauern Gefahren! Lesen Sie hierzu bitte unbedingt unsere Darstellung zu Tropfengrößenverteilungen und deren Messung!

Das vollständige Tropfengrößenspektrum an Turbulenzdüsen kann man nicht verlässlich im Voraus berechnen.

In der einschlägigen Fachliteratur finden sich zwar einige Gleichungen zum Berechnen charakteristischer Tropfendurchmesser an Turbulenzdüsen. So beispielsweise zum Berechnen des mittleren Tropfendurchmessers d50.

Das die Rechenergebnisse jedoch sehr fragwürdig sein müssen liegt auf der Hand. Bereits geringfügige Änderungen in der Geometrie der Turbulenzdüse oder Veränderungen in den rheologischen Eigenschaften der zu zerstäubenden Flüssigkeit führen zu völlig anderen Tropfengrößenverteilungen. Und somit auch zu anderen Werten für den mittleren Tropfendurchmesser!

Gleichzeitig ändert sich natürlich das gesamte Tropfengrößenspektrum. Das bedeutet, dass es zu Verschiebungen im Fein- und Grobanteil der Tropfen im Spray kommen kann.

Das dimensionslose Verhältnis zwischen der Bohrungslänge L und dem Durchmesser D der Düsenaustrittsbohrung muss ebenfalls berücksichtigt werden. Je nach Wert und Betriebsbedingung können sekundäre Effekte wir Strömungsablösung etc. auftreten. Näheres hierzu ist unserer Fachliteratur zu entnehmen.

Für spezielle und kritische Anwendungen empfehlen wir daher grundsätzlich das Ermitteln vollständiger Tropfengrößenverteilungen mittels laseroptischer Methoden.

Die Grenzen des Zerstäubens mit Turbulenzdüsen und Strahl bildenden Düsen.

Diese Düsen liefern im Vergleich zu anderen Zerstäubern ein relativ grobes Spray. Besonders zu beachten ist Folgendes:

  • Diese Düsen sind oftmals problematisch, wenn kleine Volumenströme an Flüssigkeiten zerstäubt werden sollen. Dieses bedingt bei hinreichend hohen Druckdifferenzen (Flüssigkeitsgeschwindigkeit!) kleine  Bohrungsdurchmnesser. Hieraus resultiert eine hohe Verstopfungsgefahr!
  • Steigt dann noch die Viskosität der Flüssigkeit an, versagen diese Düse sehr schnell. Strömungstechnisch betrachtet bedeutet dieses, dass der Betrag für die maßgebliche Reynolds-Zahl sehr klein wird.
  • Geringfügige Änderungen in der Geometrie führen zu deutlichen Änderungen im Tropfengrößenspektrum.

Das rasche Aufbrechen des zunächst kompakten Flüssigkeitsstrahles und somit das Ausbilden eines Sprays lässt sich unterstützen, indem spezielle Einbauten in die Düse eingebracht oder Strömungsumlenkungen und Rezirkulationsgebiete vorgesehen werden. Nachfolgend sind stellvertretend die sogenannte Kniedüse und die Düse mit einer Borda-Mündung dargestellt.

Bei der zu den Turbulenzdüsen zählenden Kniedüse wird die Flüssigkeit mehrfach umgelenkt. Vorteilhaft sind zudem Querschnittsveränderungen. Bild: IBR Zerstäubungstechnik GmbHMehrfache Umlenkung der Flüssigkeit und Querschnittsveränderungen führen im Vergleich zur einfachen Lochdüse zu einem besseren Strahlzerfall. 
Bei der Turbulenzdüsen mit Borda-Mündung kommt es zur Ausbildung eines Rezirkulationsgebietes. Der Flüssigkeitsstrahl löst sich rasch auf und bildet Tropfen. Bild: IBR Zerstäubungstechnik GmbHDüsen mit einer sogenannten Borda-Mündung führen zu einem Rezirkulationsgebiet. Auch dieses begünstigt den Strahlzerfall.

Schildern Sie uns Ihre Aufgabenstellung! Wir prüfen gerne für Sie, ob der Einsatz von Turbulenzdüsen für Ihre Aufgabenstellung sinnvoll ist. Natürlich erhalten Sie dann auch Vorschläge zu bestimmten Düsen oder wir unterbreiten sofort alternative Lösungsvorschläge.