Turbulenzdüsen und Strahl bildende Düsen zählen zu Einstoff-Druckdüsen


Die konstruktiv einfachste Bauart der zur Druckdüse zählenden Turbulenzdüsen ist die einfache Strahl bildende Düse, auch Lochdüse genannt. Sie besteht im Grunde lediglich 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 GmbH

Die zu zerstäubende 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 Austrittsgeschwindigkeit an der Düsenmündung selbst hängt von der Druckdifferenz Δp, der Dichte ρ der Flüssigkeit und 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. Diese bilden dann das Spray.

Die Eigenschaften des Sprays an Turbulenzdüsen können also nicht nur die Angabe eines Tropfendurchmessers definiert werden. Da es sich um eine Tropfengrößenverteilung handelt, behilft man sich durch Angabe von charakteristischen Tropfendurchmessern. Das kann beispielsweise der mittlere Tropfendurchmesser d50 oder der Sauterdurchmesser d32 sein. 

Turbulenzdüsen liefern ein Tropfengrößenspektrum und keine monodispersen Tropfen.

Die vollständigen Eigenschaften des Sprays an einer Turbulenzdüse lassen sich nicht durch einen charakteristischen Tropfendurchmesser beschreiben!  

Lesen Sie bei Interesse hierzu bitte die Darstellung zu Tropfengrößenverteilungen und deren Messung!

Turbulenzdüsen auswählen und berechnen

Sofern nieder viskose Flüssigkeiten wie Wasser zu zerstäuben sind, lässt sich der Volumenstrom als Funktion der Druckdifferenz bei kommerziell verfügbaren Turbulenzdüsen meistens Tabellen entnehmen. Dieses ist dann unproblematisch.

Kommen jedoch höher viskose Flüssigkeiten zum Einsatz, ergeben sich oft zwei Probleme gleichzeitig!

Zum einen stimmen dann die Angaben zu den Volumenströmen nicht mehr. Zum anderen übt die Viskosität einen großen Einfluss auf die Sprayeigenschaften aus. Im Extremfall kommt es dann rasch zu einem vollständigen Versagen des Zerstäubers.

Daher ist bei industriellen und produktionstechnischen Anwendungen unbedingt im Vorfeld zu klären, ob eine Trubulenzdüse für die konkrete Anwendung geeignet ist.

Selbstverständlich sind wir hier Ihr Ansprechpartner! Wir beschaffen und testen für Sie Düsen unter realistischen Bedingungen. Bei Bedarf entwickeln und optimieren wir für Sie Sonderlösungen.

Kann man die Sprayeigenschaften an einer Turbulenzdüse berechnen?

Tropfengrößen an Turbulenzdüsen lassen sich nicht verlässlich berechnen.

In der einschlägigen Fachliteratur finden sich zwar einige Gleichungen zum Berechnen charakteristischer Tropfendurchmesser an Turbulenzdüsen.

So beispielsweise zum Berechnen des mittleren Tropfendurchmessers d50 oder des Sauterdurchmesser d32.

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 Flüssigkeit führen zu völlig anderen Tropfengrößenverteilungen. Und somit auch zu anderen Werten für die charakteristischen Tropfendurchmesser!

  • Das bedeutet auch, dass es zu Verschiebungen im Fein- und Grobanteil der Tropfen im Spray kommen wird.

  • Das 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. Das beeinflusst die Tropfengrößen natürlich ebenfalls!

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

Mögliche Probleme beim Zerstäuben mit Turbulenzdüsen und Strahl bildenden Düsen

Es existieren durchaus Anwendungen, bei den Turbulenzdüsen Probleme bereiten können. Zunächst einmal ist zu berücksichtigen, dass diese Düsen im Vergleich zu anderen Zerstäubern ein relativ grobes Spray liefern. Dieses muss nicht unbedingt negativ sein. Es kann aber für bestimmte Aufgaben ungünsstig sein. 

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 Bohrungsdurchmesser. 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. Und natürlich auch im Volumenstrom.
Möglichkeiten zur Optimierung von Turbulenzdüsen

Die einfache Lochdüse wird sehr selten verwendet. Dieses liegt darin begründet, dass der Strahlzerfall zu Tropfen nicht optimal verläuft. Der kompakte Flüssigkeitsstrahl ist relativ stabil. Ein typisches Sprühbild wie bei einer Vollkegeldüse lässt sich hiermit praktisch nicht realisieren. Es existieren jedoch einige Strömungsführungen, die das turbulente Aufbrechen des Flüssigkeitsstrahles unterstützen.

Bei der zu den Turbulenzdüsen zählenden Kniedüse wird die Flüssigkeit mehrfach umgelenkt. Vorteilhaft sind zudem Querschnittsveränderungen. Bild: IBR Zerstäubungstechnik GmbH

Eine mehrfache Umlenkung der Flüssigkeit innerhalb der Düse unterstützt den Strahlzerfall. Gleichzeitig sieht man zudem oftmals Veränderungen im Querschnitt der Strömungskanäle vor. Zu berücksichtigen ist hierbei, dass der Druckverlust zunimmt.

Diese Maßnahmen führen insgesamt zu einer deutlichen Erhöhung des turbulenten Effekte.

Die nebenstehende Form der Turbulenzdüse wird auch als Kniedüse bezeichnet.

Bei Turbulenzdüsen mit Borda-Mündung kommt es zur Ausbildung eines Rezirkulationsgebietes. Der Flüssigkeitsstrahl löst sich rasch auf und bildet Tropfen. Bild: IBR Zerstäubungstechnik GmbH

Eine weitere Möglichkeit zur Unterstützung des Strahlzerfalls zu Tropfen bietet die Borda-Mündung. Es kommt hierbei zur Ausbildung eines Rezirkulationsgebietes vor der Düsenmündung.

Neben der Erhöhung der Turbulenz für die Flüssigkeit kommt es bei korrekter Auslegung zu einer gewünschten Kontraktion des Flüssigkeitsstrahles.

Neben den genannten Methoden existieren noch weitere Möglichkeiten. So gibt es spezielle Turbulenzkörper und besonders geformte Düsenaustritte. Insbesondere bei Verwendung viskoser Flüssigkeiten und geringer Volumenströme ist eine Klärung der Randbedingungen unumgänglich!

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