EP0405311B1

EP0405311B1 - Verfahren zur Erzeugung eines in einem Trägergasstrom förderbaren Flüssigkeitsnebels und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: EP0405311B1
Application number: EP90111617A
Authority: EP
Inventors: Siegfried Schilling
Original assignee: Sintermetallwerk Krebsoege GmbH
Current assignee: Sintermetallwerk Krebsoege GmbH
Priority date: 1989-06-29
Filing date: 1990-06-20
Publication date: 1994-01-26
Anticipated expiration: 2010-06-20
Also published as: CA2035436A1; ATE100924T1; EP0405311A1; DE59004385D1; DE3921255A1; WO1991000479A1; JPH04500721A; US5261949A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines in einem Trägergas förderbaren Flüssigkeitsnebels entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Zerstäubung oder Verneblung einer Flüssigkeit in ein Trägergas bereitet insbesondere dann Schwierigkeiten, wenn relativ kleine Massenströme von weniger als zwei Kilogramm je Stunden mit einem hohen Feinheitsgrad (Tropfendurchmesser kleiner als 100 µm) zerstäubt werden sollen, d.h. kleinste Flüssigkeitströpfchen erzeugt werden müssen. Bei der Zerstäubung mit Hilfe von Düsen unter hoher Druckbeaufschlagung der zu zerstäubenden Flüssigkeit sind hierbei natürliche Grenzen hinsichtlich der erreichbaren Tropfenfeinheit gesetzt, da die erforderliche Flüssigkeitsgeschwindigkeit mit äußerst kleinen Strömungsquerschnitten der Düse erzeugt werden muß. So liegen in einer Reihe von Einsatzfällen die geometrischen Querabmessungen bei Massenströmen im Bereich von zwei Kilogramm/Stunde bei 0,1 bis 0,3 mm, was in der Praxis zu Verstopfungen und damit zu nicht reproduzierbaren Zerstäubungsgraden führt. Weiterhin läßt sich hier nicht vermeiden, daß an der Düse selbst durch ein ungenügendes Abreißen des Flüssigkeitsstromes sich immer wieder größere Tropfen bilden, die in der nachgeschalteten Verwendung des erzeugten Nebels sich nachteilig auswirken. So beispielsweise bei der Zerstäubung von Heizöl, wo gerade die im Tropfenkollektiv enthaltenen größeren Tropfen die bekannten Probleme der Bildung von Randnebelfeldern im Bereich der Flammenwurzel und damit eine ungenügende Verbrennung bei relativ langen Flammen bewirken. Ein weiterer Nachteil der bekannten Zerstäubungsverfahren mit Hilfe von Düsen besteht darin, daß selbst beim Einsatz hochfester Materialien Kavitationserscheinungen im Bereich der Düsenmündung auftreten, die nach entsprechender Betriebszeit zu einer Verschlechterung des Zerstäubungsergebnisses führen. Dies tritt umso eher ein, je höher der Zerstäubungsgrad und damit verbunden je höher der auf die Flüssigkeit auszuübende Vordruck ist.
Zur Beseitigung dieser Nachteile sind Zerstäubungs-Nebel-Einrichtungen bekannt, die zur Zerstäubung einer Flüssigkeit mit einem Treibgas, insbesondere Luft, betrieben werden. So z. B. Öl-Nebelgeräte für die Lagerschmierung oder Druckluft-Ölzerstäuber für Heizölbrenner im Haushaltsbereich oder Wasserdampf-Druckzerstäuber im Industriebereich. Bei diesen Einrichtungen wird die zu zerstäubende Flüssigkeit, beispielsweise das Heizöl, mit Druckluft oder Wasserdampf in einer Injektordüse oder angekrümmten Leitflächen zerstäubt. Hiermit lassen sich zwar gute Zerstäubungsgrade bei kleinen Durchsätzen erzielen. Nachteilig ist jedoch der Geräteaufwand zur Erzeugung der Druckluft, z. B. bei den Druckluftzerstäubern. Für die erforderlichen Luftdrücke von 0,6 bis 1,2 Bar und Volumenströme von 600 bis 1200 dm³/h können nur Kompressoren eingesetzt werden, da mit Gebläsen diese Druckerhöhungen technisch nicht zu realisieren sind.
Aus US-A-4,271,100 ist es bekannt, eine zu verbrennende Flüssigkeit in einen Trägergasstrom hinein über einen Ultraschallzerstäuber zu zerstäuben. Abgesehen davon, daß mit einem derartigen Ultraschallzerstäuber die beispielsweise für Verbrennungsvorgänge erforderlichen Flüssigkeitsmengen sich nicht zerstäuben lassen, wird auch mit einem derartigen Zerstäuber, wie mit einer Zerstäuberdüse, in den Trägergasstrom ein Tröpfenkollektiv eingebracht, das Tröpfchen mit unterschiedlicher Größe aufweist. Um nur die feinen Tröpfchen der Verbrennung zuzuführen, wird bei dem vorbekannten Verfahren der das Tröpfchenkollektiv enthaltende Trägergasstrom umgelenkt und die sich infolge der Umlenkung abscheidenden gröberen Tröpfchen als Kondensat gesammelt, abgezogen und erneut der Zerstäubereinrichtung zugeführt. Die für diesen Flüssigkeitsanteil aufgewandte Zerstäuberenergie stellt eine Verlustenergie dar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung eines in einem Trägergasstrom förderbaren Flüssigkeitsnebels zu schaffen, bei dem sichergestellt ist, daß nur kleinste Tröpfen bis zu einer in der Größe begrenzten Tröpfchengröße vom Trägergasstrom erfaßt werden.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit den im Kennzeichnugsteil des Anspruchs 1 angegebenen Verfahrensmerkmalen gelöst. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß auch bei einer Zerstäubung mittels einer herkömmlichen Zerstäuberdüse, die ein Tropfenkollektiv mit großen Unterschieden im Tropfendurchmesser erzeugt, alle für den betreffenden Verwendungszweck zu großen Tropfen ausgeschieden werden, das Tropfenkollektiv also "klassiert" wird. Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß über den Trägergasdurchsatz auch das Mischungsverhältnis zwischen Trägergas und Nebel selbsttätig reguliert werden kann, da bei gegebenen Strömungsquerschnitten die auf die feinsten Tröpfchen durch das Trägergas einwirkenden Schleppkräfte abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit des Trägergases sind. Bei konstantem Flüssigkeitsdurchsatz und geringer Trägergasgeschwindigkeit werden nur die feinsten Tröpfchen im Umlenkungsbereich mitgenommen, während die größeren Tröpfchen ausgeschieden werden. Bei einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Trägergases werden Tröpfchen bis zu einer gewissen Grenzgröße im Umlenkungsbereich vom Trägergas noch mitgenommen, wobei durch die Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit zugleich im Umlenkungsbereich die auf die einzelnen Tröpfchen wirkenen Zentrifugalkräfte ansteigen, so daß den auf die größeren Tröpfchen einwirkenden Schleppkräften die Zentrifugalkräfte entgegenwirken, so daß auch dann sichergestellt ist, daß nur die Tröpfchengröße vom Trägergas mitgenommen wird, die den gewünschten Nebel- bzw. Aerosolbedingungen genügen. Dadurch, daß zumindest ein Teil des Tropfenkollektivs, insbesondere der eine Maximalgröße überschreitende Tropfenanteil an wenigstens einer beheizbaren Kontaktfläche aufgefangen und zumindest zum Teil in den Trägergasstrom verdampft wird, ergibt sich bei größeren Durchsätzen der Vorteil, daß die zunächst aus dem Trägergasstrom durch unerwünscht große Tropfen ausgeschiedene Flüssigkeitsmenge durch die anschließende Verdampfung wenigstens zum Teil wieder in den Trägergasstrom eingebracht wird. Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens besteht hierbei darin, daß über eine entsprechende Temperaturregelung eine zusätzliche Regelungsmöglichkeit für das Mischungsverhältnis zwischen Trägergas und vernebelter Flüssigkeit gegeben ist. Während mit Rücksicht auf den zerstäubungsgrad bei gegebenem Düsenquerschnitt der Flüssigkeitsmassestrom nur geringfügig veränderbar ist und mit Rücksicht auf die Einhaltung der Grenzbedingungen für die vom Trägergas aufzunehmenden Tropfengröße auch für die Strömungsgeschwindigkeit des Trägergases im Umlenkungsbereich Grenzen gesetzt sind, läßt sich gerade beim Erreichen der hierdurch vorgegebenen Obergrenzen durch die zusätzliche Verdampfung von Flüssigkeitstropfen über eine beheizbare Kontaktfläche in den Trägergasstrom das Ergebnis noch verbessern. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens wird sowohl mit Verdampfung als auch ohne Verdampfung des abgeschiedenen Tropfenanteils eine aerosolartige Vernebelung der Flüssigkeit erzielt, die es erlaubt, beispielsweise bei der Vernebelung von Heizöl, den mit Nebel beladenen Trägergasstrom wie ein Brenngas über ein Leitungssystem zur Einsatzstelle zu führen, wobei lediglich die üblichen Bedingungen zur Vermeidung von Taupunktunterschreitungen und damit von Kondensationsvorgängen an den Kanaloberflächen, beispielsweise durch Beheizung des Trägergases und/oder Beheizung der Kanalwände, einzuhalten sind.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß zumindest ein Teil der zu verdampfenden Tropfenanteile im Zerstäubungsbereich an einer beheizbaren Kontaktfläche aufgefangen und verdampft wird. Dies kann beispielsweise in der Art und Weise erfolgen, daß ein Teil des Düsenstrahles, beispielsweise durch eine breitfächernde Düse direkt auf die beheizbaren Kontaktflächen auftrifft.
In einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß zumindest ein Teil der zu verdampfenden Tropfenanteile im Umlenkbereich von einer beheizbaren Kontaktfläche aufgefangen und verdampft wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der zu verdampfende Tropfenanteil von der als Kontaktfläche dienenden Oberfläche eines offenporigen Kontaktkörpers aufgenommen, im Kontaktkörper auf Siedetemperatur aufgeheizt und als Tropfen-Dampf-Gemisch von der Kontaktfläche an den Trägergasstrom wieder abgegeben wird. Der besondere Effekt dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung ergibt sich dadurch, daß nicht nur der verdampfende Flüssigkeitsanteil in den Trägergasstrom gelangt, sondern daß durch die Dampfbildung im Kontaktkörper sich an der Oberfläche zugleich Flüssigkeitsblasen bilden, die infolge des nachdrückenden Dampfes zerplatzen, wobei ein Teil der Blasenoberfläche als allerfeinste Tropfen in den Trägergasstrom zurückgeschleudert werden. Dieser Vorgang ist insbesondere dann sehr effektiv, wenn eine Flüssigkeit zu zerstäuben ist, die aus Komponenten mit unterschiedlicher Siedetemperatur zusammengesetzt ist. Die Aufheizung im Bereich des Kontaktkörpers braucht dann nur auf die Temperatur des niedrigsiedenden Flüssigkeitsanteils zu erfolgen. Da bei dieser Verfahrensweise neben der Verdampfung ein Teil der Flüssigkeit rein mechanisch in feinste Tröpfchen zerstäubt wird, ergibt sich somit eine Reduzierung der notwendigen Heizenergie.
In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß der aus dem Trägergasstrom ausgeschiedene und einem Rücklauf zusammengeflossene Tropfenanteil über einen Wärmetauscher geführt wird und seine Wärme an die zur Zerstäubung fließenden Flüssigkeit abgibt. Diese Verfahrensweise ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn zumindest ein Teil des Trägergasstroms vor der Einleitung in den Zerstäubungsbereich aufgeheizt wird.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Erzeugung eines in einem Trägergasstrom förderbaren Flüssigkeitsnebel, insbesondere nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, mit einer Mischkammer, die mit wenigstens einem Einlaß für einen Trägergasstrom, wenigstens einer Zerstäuberdüse für die Einleitung einer Flüssigkeit als Tropfenkollektiv und wenigstens einem Auslaß für den Flüssigkeitsnebel versehen ist, entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 7. Gemäß der Erfindung ist die Vorrichtung so ausgebildet, daß die Wandung der Mischkammer eine Kontaktfläche aufweist, die mit einer Heizeinrichtung verbunden ist. Hierdurch ist gewährleistet, daß bereits in der Mischkammer selbst die auf die Wandung auftreffenden Tropfenanteile in den Trägergasstrom verdampft werden können. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Mischkammer mit ihrer Kontaktfläche rohrförmig ausgebildet und der Trägergasstrom als Drallströmung in die Mischkammer eingeführt wird. Die großen Tropfen werden hierbei weitgehend im Einzugsbereich an die Wandung der Mischkammer ausgeschleudert, werden dann als Flüssigkeitsfilm vom Trägergasstrom mitgeschleppt, so daß nach Art einer Dünnschichtverdampfung der ausgeschleuderte Tropfenanteil in den Trägergasstrom hinein verdampft werden kann. Im Umlenkbereich sind daher nur noch größere Tropfen, die von der Drallströmung nicht ausgeschleudert werden sind, aus dem Trägergasstrom auszucheiden. Mit einer derartigen Vorrichtung ist es möglich, durch eine rein mechanische Maßnahme, nämlich die Umlenkung des mit dem Tropfenkollektiv beladenen Trägergasstroms alle eine vorgebbare Maximalgröße überschreitenden Tropfen aus dem Tropfenkollektiv auszuscheiden und nur den feinsten, vorzugsweise aerosolartigen Tropfenanteil mit dem Trägergasstrom weiter zu transportieren. Die jeweils gewünschte maximale Tropfengröße läßt sich durch den Grad der Umlenkung bestimmen. Die größte Abscheidewirkung wird bei einer Umlenkung um 180° erzielt, d.h. wenn zunächst der Trägergasstrom und der Düsenstrahl gleichsinnig geführt werden und eine möglichst gleichmäßige Tropfenverteilung und eine entsprechende Beschleunigung der Tropfen erzielt wird, so daß anschließend durch eine Umlenkung in Gegenrichtung nur Tropfen unter einer Maximalgröße von den Schleppkräften des Trägergasstromes mitgenommen werden, während alle die Maximalgröße überschreitenden Tropfen aufgrund der Massenkräfte im Umlenkungsbereich im wesentlichen die ursprüngliche Bewegungsrichtung beibehalten und somit aus dem Trägergasstrom, beispielsweise durch Auftreffen auf die Kontaktfläche abgeschieden werden. Da diese Flüssigkeitsmengen aber wieder in den Trägerstrom hinein verdampft werden können, und zwar durch eine entsprechende Temperaturführung, ergibt sich ein guter wirkungsgrad und eine gute Regelbarkeit.
In der einfachsten Ausgestaltung kann der Düsenstrahl selbst unter einem Winkel in den Trägergasstrom eingeführt werden. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, daß die Mischkammer im Düsenbereich mit wenigstens einer vorzugsweise in Richtung der Düsenstrahles ausgerichteten Einlaßöffnung für mindestens einen Teil des Trägergases versehen ist. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß bereits eine innige Vermischung von Tropfen und Trägergas stattfinden kann, wobei über die Strömungsgeschwindigkeit dieses Teilstroms vor allem größere Tropfen noch beschleunigt werden können. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführung besteht darin, daß der Trägergasstrom als Drallströmung in die Mischkammer eingeführt werden kann, so daß bereits in diesem Bereich für eine Abscheidung größerer Tropfen gesorgt ist. In zweckmäßiger Ausgestaltung ist ferner vorgesehen, daß die Düse als Venturidüse ausgebildet und mit einer Zuleitung für Druckluft zur Unterstützung der Zerstäubung verbunden ist. Die erforderliche Primärluft bei der Anwendung als Ölzerstäuber für einen nachgeschalteten Brenner läßt sich zur Unterstützung der Zerstäubung in die Mischkammer einbringen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Mischkammer rohrförmig ausgebildet und koaxial zur Düse angeordnet ist, daß das der Düse abgekehrte Ende der Mischkammer in eine Umlenkkammer mündet und daß die der Einmündung der Mischkammer gegenüberliegende Wand der Umlenkkammer als Umlenkfläche ausgebildet ist.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Umlenkkammer koaxial die rohrförmige Mischkammer umschließt und daß der Auslaß für den mit dem Flüssigkeitsnebel beladenen Trägergasstrom in Gegenstromrichtung zum Düsenstrahl mit Abstand zur Einmündung der Mischkammer in die Umlenkkammer angeordnet ist. Die hierdurch bedingte scharfe Umlenkung des mit dem Tropfenkollektiv beladenen Trägergasstrom gewährleistet, daß nur die feinsten Tröpfchen vom Trägergasstrom mitgenommen werden können.
Besonders zweckmäßig ist in Ausgestaltung der Erfindung die Anordnung eines Wischerrotors in der rohrförmigen Mischkammer, der der Zerstäuberdüse zugeordnet ist. Hierdurch läßt sich praktisch die gesamte Flüssigkeitsmenge auch bei verhältnismäßig grober Zerstäubung auf die Kontaktfläche aufbringen und dort verdampfen. Zweckmäßig ist es hierbei, wenn der Wischerrotor mit wenigstens zwei radial ausgerichteten Wischerblättern versehen ist, auf die jeweils wenigstens eine Düsenöffnung mündet. Die auf die Wischerblätter auftreffenden Flüssigkeitsanteile werden durch die Zentrifugalkraft nach außen geschleudert, so daß bei günstigster Durchströmung des Trägergases durch die Mischkammer praktsich die gesamte Flüssigkeitsmenge auf die Kontaktfläche gelangt und dort verdampfen kann. Die Wischerblätter sind zweckmäßig schraubenartig oder propellerartig geformt, so daß bei entsprechender Antriebsleistung eines vorzugsweise drehzahlregelbaren Motors die Wischerblätter als Ventilator für den durch die Mischkammer geführten Tragergasstrom wirken, so daß zumindest der Durchflußwiderstand in diesem Bereich reduziert ist.
In Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß die Umlenkfläche eine Kontaktfläche bildet und mit einer Heizeinrichtung verbunden ist. Diese Anordnung kann allein oder in Kombination mit einer als beheizbare Kontaktfläche ausgebildeten Mischkammerwandung eingesetzt werden.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Umlenkfläche durch einen im Trägergasstrom angeordneten Umlenkkörper gebildet wird. Eine derartige Anordnung ist insbesondere dann interessant, wenn der Trägergasstrom und der Düsenstrahl insgesamt axial geführt werden, so daß durch den Umlenkkörper lediglich sichergestellt werden soll, daß große mitgeführte Tropfen insbesondere im Zentralbereich des Trägergasstromes ausgeschieden werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Kontaktfläche durch die freie Oberfläche eines offenporigen Kontaktkörpers gebildet wird, der in seinem der Kontaktfläche abgekehrten Bereich mit einer vorzugsweise elektrischen Heizeinrichtung verbunden ist. Die Anordnung eines derartigen offenporigen Kontaktkörpers, der beispielsweise auch die Wandung der Mischkammer bilden kann, wird insbesondere bei der Vernebelung von Flüssigkeitsgemischen mit Flüssigkeitsanteilen unterschiedlicher Siedetemperatur zweckmäßig eingesetzt. Die Flüssigkeit dringt aufgrund der Kapillarwirkung in den Kontaktkörper ein, der niedrigsiedende Anteil verdampft und treibt unter Blasenbildung an der Kontaktoberfläche den höhersiedenden, noch flüssigen Flüssigkeitsanteil in Blasenform aus, wobei den die zerplatzenden Blasen in Form feinster Tropfen in den Trägergasstrom ausgeschleudert werden. Der offenporige Kontaktkörper besteht mit Rücksicht auf eine gute Wärmeleitfähigkeit für den zu erzielenden Verdampfungsvorgang zweckmäßigerweise aus einem Sintermetall und weist zweckmäßigerweise eine Porosität auf, die einem Hohlraumvolumen zwischen etwa 30 bis 80%, vorzugsweise 40 bis 60% des Kontaktkörpervolumens entspricht. Der mittlere Porendurchmesser im Kontaktkörper liegt zweckmäßigerweise zwischen etwa 20 bis 150 µm, vorzugsweise zwischen 40 und 100 µm.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß im Bereich des Abzugs für die Rücklaufflüssigkeit ein sich in Abhängigkeit vom Druck in der Flüssigkeitszufuhr selbsttätig einstellendes Auslaßventil angeordnet ist. Hierdurch ist ein einwandfreier Abzug der Rücklaufflüssigkeit aus der Misch- bzw. der Umlenkkammer gewährleistet, da dann das Auslaßventil in Abhängigkeit von der über die Zerstäuberdüse in die Mischkammer eingebrachten Flüssigkeitsmenge öffnet.
Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: eine Vorrichtung zur Erläuterung des Funktionsprinzips,
Fig. 2: einen Aerosolgenerator,
Fig. 3: einen Heizöl-Luft-Gemisch-Generator,
Fig. 4: eine weitere Ausführungsform für einen Heizöl-Luft-Gemisch-Generator.
Fig. 5: eine Ausführungssform mit Druckluftzerstäbung,
Fig. 6: eine Ausführungsform mit mechanischer Zerstäubung auf eine beheizte Kontaktfläche.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist eine Mischkammer 1 vorgesehen, die beispielsweise einen Kreisquerschnitt aufweist. In die Mischkammer 1 mündet eine Zerstäuberdüse 2, die über eine Rohrleitung 3 mit einer Förderpumpe 4 in Verbindung steht. Gleichachsig zur Zerstäuberdüse 2 münden in die Mischkammer 1 zwei Zuleitungen 5 für die Einleitung eines Trägergases ein, das in der mischkammer in Gleichstrom zum Sprühstrahl 6 geführt wird.
Das über den Sprühstrahl 6 in den Trägergas-Teilstrom eingebrachte Tropfenkollektiv wird nun umgelenkt. Dies kann, wie in Fig. 1 schematisch angedeutet dadurch erfolgen, daß das Trägergas-Tropfen-Gemisch in einen Trägergas-Hauptstrom 7 unter einem Winkel aufgegeben wird oder aber dadurch, daß die gleichachsig zum Sprühstrahl 6 eingeführte gesamte Trägergasmenge durch eine entsprechende Abwinkelung des Strömungskanals umgelenkt wird. Dies ist in Fig. 1 durch die gestrichelt dargestellte Verlängerung 9 der Seitenwand 8 der Mischkanmer 1 angedeutet. Der Umlenkbereich bildet die Umlenkkammer 22 mit Auslaß 21.
Die der Düse 2 unmittelbar gegenüberliegende Wandung 10 bildet hierbei eine Umlenkfläche. Infolge der durch die Umlenkung auf die größeren Tropfen einwirkenden Zentrifugalkräfte, unterstützt durch die in etwa in gleicher Richtung verlaufenden Massenkräfte, werden die großen Tropfen auf die Umlenkfläche 10 ausgeschleudert (Pfeil 11), so daß nur die feinsten Tropfenanteile im Umlenkungsbereich von der Trägergasströmung als Nebel mitgenommen werden.
Die auf die Umlenkfläche 10 auftreffenden großen Tropfen fließen zu einer Rücklaufflüssigkeit zusammen und können als Rücklaufflüssigkeit über einen Abzug 13 aus der Vorrichtung abgezogen werden. Ein druckabhängig steuerbares Auslaßventil, das über eine in der Zulaufleitung 3 liegende Drucksteuereinrichtung 15 angesteuert wird, ist sichergestellt, daß der für die Rücklaufflüssigkeit zur Verfügung stehende Ablaufquerschnitt immer proportional zur aufgegebenen Flüssigkeitsmenge steht.
Wird die Flüssigkeit in einen aufgeheizten Trägergasstrom zerstäubt, so wird zweckmäßigerweise die in der Rücklaufflüssigkeit enthaltene Wärmeenergie über einen Wärmetauscher 16 zurückgewonnen, der mit der Förderleitung 3 verbunden ist.
Zur Verbesserung der Venebelungsleistung ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der die Umlenkfläche 10 bildende Wandteil 17 beispielsweise elektrisch beheizbar ausgebildet, was durch die Heizstäbe 18 schematisch angedeutet ist. Die auf der Umlenkfläche zu einem Flüssigkeitsfilm zusammenlaufenden Flüssigkeitstropfen werden nun bei Aufheizung des Wandteils 17 auf die Siedetemperatur der Flüssigkeit zumindest zum Teil verdampft, so daß der sich bildende Dampf (Pfeil 19) vom Trägergasstrom mitgenommen wird. Der Aufwand an Wärmeenergie ist verhältnismäßig gering, da nur eine dünne Flüssigkeitsschicht zu verdampfen ist. Wichtig ist hierbei, daß die als beheizbare Kontaktfläche dienende Umlenkfläche 10 in ausreichender Länge über den Aufprallbereich 20 der großen Tropfen hinausreicht, so daß eine ungestörte Dampfbildung erreicht wird.
Der die Kontaktfläche bildende Wandteil 17 kann zur Verbesserung der Verdampfungsleistung auch als offenporiger Kontaktkörper ausgebildet sein, so daß durch die Kapillarwirkung die auftreffenden Tropfen aufgesogen werden, innerhalb des Konbtaktkörpers wieder eine sehr schnelle Verdampfung stattfindet, wobei der sich bildende Dampf einen Teil der Flüssigkeit unverdampft an die Oberfläche wieder heraustreibt und hierbei Blasen bildet. Die Blasen zerplatzen, wobei ein Teil der Blasenhaut in Form feinster Tropfen vom Trägergasstrom zusammen mit dem Dampfanteil mitgerissen wird. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die zu vernebelnde Flüssigkeit aus einem Gemisch von Flüssigkeiten mit unterschiedlichem Siedepunkt gebildet wird. Der niedrigsiedende Flüssigkeitsanteil verdampft und treibt hierbei den höhersiedenden Flüssigkeitsanteil in Form feinster Tröpfchen in den Trägergasstrom aus.
In Fig. 2 ist eine abgewandelte Vorrichtung schematisch dargestellt. Teile, die die gleiche Funktion besitzen, wie sie anhand der Ausführungsform gem. Fig. 1 bereits beschrieben wurden, sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Flüssigkeit wird über eine Düse 2 als Sprühstrahl 6 als Tropfenkollektiv in eine Mischkammer 1 eingebracht. Ein Trägergasstrom wird über die Zuleitungen 5 gleichachsig zum Sprühstrahl 6 in die Mischkammer 1 eingeführt, wobei je nach Einsatzzweck der Trägergasstrom im Einleitungsbereich auch als Drallströmung in die Mischkammer 1 eingeführt werden kann.
Aus der rohrförmig ausgebildeten Mischkammer 1 wird der Strom des Trägergas-Tropfen-Gemisches unter scharfer Umlenkung um 180° über einen Auslaß 21 abgezogen, so daß vom Trägergas nur die feinsten Tröpfchen mitgenommen werden können, da in der Umlenkkammer 22 die Einwirkung der Schleppkräfte größer ist als die Einwirkung der Zentrifugalkräfte.
Die die hierdurch vorgegebene Maximaltropfengröße überschreitenden Tropfen (Pfeil 11) werden gegen eine Umlenkfläche 10 ausgeworfen, von der sie dann über einen Abzug 13 aus der durch den Umlenkbereich definierten Umlenkkammer 22 abgezogen werden. Die Umlenkfläche 10 kann hierbei wiederum durch einen mit einer Heizeinrichtung 18 versehenen Umlenkkörper 17 ausgebildet sein, so daß die sich hierauf sammelnden Tropfenanteile in den Trägergasstrom hinein verdampft werden können (Pfeil 9). Auch hier kann der Umlenkkörper 17 wieder als offenporiger Kontaktkörper ausgebildet sein, um die Vernebelungswirkung durch Verdampfung noch zu verbessern.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist zusätzlich zum Umlenkkörper auch die Wandung 23 der Mischkammer 1 beheizbar ausgebildet, so daß die auf die Oberfläche der vorzugsweise rohrförmigen Mischkammer 1 auftreffenden Flüssigkeitsanteile in den Trägergasstrom hinein verdampft werden.
Will man die Leistung reduzieren, so kann die Beheizung der Wandung der Mischkammer 1 unterbleiben. Die auf die Mischkammerwandung auftreffenden Flüssigkeitsanteile laufen zu einem Film zusammen, die an dem der Düse 2 abgekehrten Ende der Mischkammer dann in Form von großen Tropfen abreißen, die schon von ihrer Größe her nicht von der in diesem Bereich umgelenkten Strömung mitgenommen werden können. Schaltet man die Heizung in diesem Falle ein, wird entsprechend der Heizleistung die sich auf der Innenwandung der Mischkanmer 1 sammelnde Flüssigkeitsmenge in den Trägergasstrom hinein verdampft, so daß hier neben einer Regelung über die Trägergasmenge, die sich unmittelbar auf die Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Vorrichtung auswirkt, über die Heizleistung eine zusätzlich Regelungsmöglichkeit für das Mischungsverhältnis zwischen Trägergas und Flüssigkeitsnebel Einfluß genommen werden kann. Auch bei dieser Ausführungsform kann wiederum die Innenwandung der Mischkanmer 1 durch einen offenporigen Kontaktkörper gebildet werden, so daß die vorstehend bereits beschriebenen Verdampfungsvorgänge erfolgen können.
Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform, wie sie insbesondere als Heizölbrenner eingesetzt werden kann. Bei dieser Auführungsform wird das Heizöl über eine Förderleitung 3 unter Druck einer Zerstäuberdüse 2 aufgegeben, deren Sprühstrahl 6 axial in eine rohrförmige Mischkammer 1 eingeleitet wird. Koaxial zur Düse 2 wird Verbrennungsluft über den Einlaß 5 in die Mischkammer 1 eingeführt. Die Mischkammer 1 wird durch ein Rohr 25 aus einem gut wärmeleitenden Material gebildet, dessen Wandung an seinem der Zerstäuberdüse 2 zugekehrten Ende mit eine Heizeinrichtung 18 versehen ist. Mit Abstand zur Mündung der Zerstäuberdüse 2 ist im Rohrinnern eine Umlenkplatte 26 angeordnet, durch die der mit Heizöltröpfchen beladene Trägergasstrom eine Umlenkung gegen die Innenwandung des Rohres 25 erfährt, so daß größere Tropfen gegen die Wandung ausgeschleudert werden, bzw. auf die Umlenkfläche 26 auftreffende Tropfen zu größeren Tropfen zusammenlaufen und bei vorzugsweise horizontaler Anordnung der Vorrichtung auf der Sohle des Rohres 25 sammeln.
Bei Aufnahme des Betriebes wird zunächst über die Heizeinrichtung 18 die Wandung im vorderen Teil der Mischkammer 1 aufgeheizt, so daß der auf die Wandung auftreffende Teil der Flüssigkeitstropfen verdampft wird und von der Verbrennungsluft zusammen mit den feinsten Tropfen als Öl-Dampf-Luft-Gemisch über das Rohr 25 geführt wird. Die Mündung 27 des Rohres 25 ist hierbei in nicht näher dargestellter Weise mit einem Flammenhalter versehen, so daß das Rohrende zugleich den Brenner bildet. Schon nach kurzer Betriebszeit heizt sich das Rohr 25 auf, so daß über die Wärmeleitung des Rohrmaterials auch der den Heizöleintrittsbereich der Mischkammer 1 umschließende Teil der Rohrwandung hoch aufgeheizt wird und dementsprechend die Heizeinrichtung 18 abgeschaltet werden kann. Aufgrund der Aufheizung des Rohres verdampfen zugleich auch noch etwa vom Strom der Verbrennungsluft mitgerissene größere, an der Umlenkfläche 26 abgeschiedene Tropfen, so daß aus der Mündung 27 der Heizölanteil praktisch nur noch als Dampf vom Strom mitgeführt wird, so daß der Brenner praktisch wie ein Gasbrenner betrieben werden kann.
Fig. 4 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform für einen Heizölbrenner. Bei dieser Ausführungsform wird der Sprühstrahl 6 in eine allseitig geschlossene Mischkammer 1 eingeleitet, in die über entsprechende Einlässe 5 koaxial zur Zerstäuberdüse 2 zumindest ein Teil der erforderlichen Verbrennungsluft eingeleitet wird. Der Sprühstrahl 6 ist gegen eine mit Heizelementen versehene Umlenkfläche 10 gerichtet, so daß über die seitlich und mit Abstand zur Umlenkfläche 10 angeordneten Auslässe 21 nur der mit dem feinsten Tropfenanteil beladene Trägergasstrom austreten kann. Durch die Beheizung der Umlenkfläche wird der dort auftreffende Flüssigkeitsanteil entsprechend der aufgegebenen Heizleistung verdampft und ebenfalls vom Trägergasstrom über die Auslässe 21 mitgenommen. Der nicht verdampfte Flüssigkeitsanteil wird bei der im Schnitt in einer Aufsicht dargestellten Anordnung über einen im Bodenbereich angeordneten Abzug 13 aus der Mischkammer 1 abgezogen.
Die Vorrichtung ist in einem Strömungskanal 28 angeordnet, der den gesamten Luftbedarf für die Verbrennung führt. Über einen entsprechenden Lufteinlaß 29 wird der für den Mischvorgang benötigte und über die Zuleitungen 5 eingeleitete Teil der Verbrennungsluft, vorzugsweise als Primärluftmenge bemessen, aus der Gesamtluftströmung abgezweigt, so daß die in dem verbleibenden Teilkanal 30 strömende Luftmenge die Sekundärluftmenge bildet, die sich jedoch im Bereich der Auslässe 21 wieder mit der mit Heizöldampf angereicherten Primärluft mischt, so daß im Austrittsbereich 31 des Strömungskanals 28 wiederum ein brennfähiges Gemisch vorliegt.
Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform, wie sie speziell für die Vernebelung von Heizöl vorgesehen ist. Der Aufbau entspricht im wesentlichen der Anordnung gem. Fig. 2, so daß hierauf Bezug genommen wird. Abweichend von der Anordnung gem. Fig. 2 ist bei diesem Ausführungsbeispiel die Düse 2 als Venturidüse ausgebildet, die über einen Luftkompressor 32 mit Luft bei einem Druck von 200 bis 400 mb beaufschlagt wird. Der Luftvolumenstrom beträgt etwa 5% der stöchiometrischen Luftmenge, die für die Verbrennung erforderlich ist. Das zu verdiesende Öl wird über die Rohrleitung 3 durch eine Förderpumpe 4 in die Düse eingebracht und von der Luft mitgerissen und hierbei zerstäubt. Durch den in der Erweiterung expandierenden Luftstrahl werden die Tröpfchen nach außen gerissen und als beheizbare offenporige Kontaktfläche ausgebildete Wandung 23 der Mischkammer 1 aufgesprüht, so daß die auftreffenden Flüssigkeitsanteile in den Trägergasstrom hinein verdampft werden.
Im Bodenbereich ist ein Abzug 13 vorgesehen, der über ein Ventil 33 mit der Rohrleitung 3 in Verbindung steht, so daß die nicht verdampften und bei der Umlenkung in der Umlenkkammer 22 abgeschiedenen groben Tropfen als geringe Flüssigkeitsmenge der frisch zugeführten Heizölmenge zugemischt werden können.
Bei der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform, die im übrigen dem Aufbau der Ausführungsform gem. Fig. 5 entspricht, ist in die Mischkammer 1 ein Wischerrotor 34 eingesetzt, der mit wenigstens zwei Rotorflügeln 35 versehen ist, die mit geringem Abstand zur Wandung 23 der Kontaktfläche der Mischkammer 1 enden. Der Wischerrotor 34 ist nur schematisch angedeutet und kann in seiner konstruktiven Ausgestaltung anders ausgebildet sein als dies in der Zeichnung dargestellt ist. Der Wischerrotor wird über einen Motor 36 angetrieben. Über eine Axialbohrung 37 in der Welle 38 des Wischerrotors 34 wird das zu zerstäubende Heizöl über Düsenöffnungen 2 auf die Wischerblätter 35 aufgebracht und hierbei radial nach außen gegen die Wandung 23 geschleudert, so daß praktisch die gesamte eingedüste Menge auf die beheizbare offenporige Kontaktfläche auftrifft und dort verdampft wird. Die zu zerstäubende Flüssigkeit wird hierbei in Form eines dünnen Films oder einer Filmsträhne nach außen geschleudert, so daß von der Außenkante der Wischerblätter bereits feinste Tröpfchen auf die Kontaktfläche auftreffen, so daß hier eine sehr schnelle Verdampfung in der vorbeschriebenen Weise stattfinden kann.
Die Düsenöffnungen 2 können auch unter einem Winkel gegenüber der Ebene der Wischerblätter aus der Rotorwelle 2 ausmünden, so daß zunächst in den Freiraum zwischen zwei benachbaren Wischerblättern eine Zerstäubung in Tröpfchenform stattfindet. Die feinsten Tröpfchen werden durch den Tragergasstrom mitgenommen, während die gröberen Tröpfchen von den Flächen der Wischerblätter erfaßt und wie vorstehend bereits beschrieben, nach filmartiger Verteilung auf der Wischerblattfläche auf die Kontaktfläche ausgeschleudert werden.
Die Wischerblätter können, bezogen auf die Drehachse, geradlienig, aber auch wendelförmig verlaufend ausgebildet sein. Die Ausrichtung bei einem wendelförmigen Verlauf muß so vorgenommen werden, daß bezogen auf die Drehrichtung die Wischerblätter gleichzeitig auf die über die Zuleitungen 5 eingeleitete Trägerluft in Durchströmungsrichtung fördernd wirken.
lg-ks

Claims

Verfahren zur Erzeugung eines in einem Trägergasstrom förderbaren Flüssigkeitsnebel, beidem die Flüssigkeit in einen Trägergasstrom als Tropfenkollektiv zerstäubt, das Tropfenkollektiv im Trägergasstrom umgelenkt wird und im Umlenkungsbereich aus dem Tropfenkollektiv Tropfen, die eine Maximalgröße überschreiten, aus dem Trägergasstrom ausgeschieden werden, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil des Tropfenkollektivs, insbesondere der eine Maximalgröße überschreitende Tropfenanteil, von wenigstens einer beheizbaren Kontaktfläche aufgefangen und zumindest zum Teil in den Trägergasstrom verdampft wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der zu verdampfenden Tropfenanteile im Zerstäubungsbereich von einer beheizbaren Kontaktfläche aufgefangen und verdampft wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der zu verdampfenden Tropfenanteile im Umlenkbereich von einer beheizbaren Kontaktfläche aufgefangen und verdampft wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zu verdampfenden Tropfenanteil von der als Kontaktfläche dienenden Oberfläche eines offenporigen Kontaktkörpers aufgenommen, im Kontaktkörper auf Siedetemperatur aufgeheizt und als Tropfen-Dampf-Gemisch über der Kontaktfläche an den Trägergasstrom wieder abgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der aus dem Trägergasstrom ausgeschiedene und zu einem Rücklauf zusammengeflossene Tropfenanteil über einen Wärmetauscher geführt wird und seine Wärme an die zur Zerstäubung fließende Flüssigkeit abgibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägergasstrom vor der Einleitung in den Zerstäuberbereich aufgeheizt wird.
Vorrichtung zur Erzeugung eines in einem Trägergasstrom förderbaren Flüssigkeitsnebels, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6, mit einer Mischkammer (1), die mit wenigstens einem Einlaß (5) für einen Trägergasstrom, wenigstens einer Zerstäuberdüse (2) für die Einleitung einer Flüssigkeit als Tropfenkollektiv und wenigstens einem Auslaß für den mit dem Flüssigkeitsnebel beladenen Trägergasstrom versehen ist, wobei die Mischkammer (1) mit Abstand zur Düsenmündung mit einer Umlenkfläche (10) für den mit dem Tropfenkollektiv beladenen Trägergasanteil versehen ist, an die sich der Auslaß für den mit dem Flüsssigkeitsnebel beladenen Trägergasstrom anschließt, und daß ein Abzug (13) für die abgeschiedenen, zu einer Rücklaufflüssigkeit zusammengeflossenen Tropfenanteile vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung der Mischkammer (1) eine Kontaktfläche aufweist, die mit einer Heizeinrichtung (18) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkfläche (10) eine Kontaktfläche bildet und mit einer Heizeinrichtung (18) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkfläche (10) durch einen im Trägergasstrom angeordneten Umlenkkörper (17; 26) gebildet wird.
Vorrichtung nach einem der Anspruche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfläche durch die Oberfläche eines offenporigen Kontaktkörpers gebildet wird, der in seinem der Kontaktfläche abgekehrten Bereich mit einer vorzugsweise elektrischen Heizeinrichtung (18) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch nach einem der Ansprüche 7 bis 10 dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkammer (1) im Düsenbereich mit wenigstens einer, vorzugsweise in Richtung des Sprühstrahles (6) ausgerichteten Einlaßöffnung (5) für mindestens einen Teil des Trägergasstromes versehen ist.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (2) als Venturidüse ausgebildet und mit einer Zuleitung (5) für Druckluft zur Unterstützung der Zerstäubung verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkammer (1) rohrförmig ausgebildet und koaxial zur Düse (2) angeordnet ist, daß das der Düse (2) abgekehrte Ende (24) der Mischkammer (1) in eine Umlenkkammer (22) mündet und daß die der Einmündung der Mischkammer (19 gegenüberliegende Wandung der Umlenkkammer (22) als Umlenkfläche (10) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkkammer (22) koaxial die rohrförmige Mischkammer (1) umschließt und daß der Auslaß (21) für den mit dem Flüssigkeitsnebel beladenen Trägergasstrom in Gegenstromrichtung zum Düsenstrahl (6) mit Abstand zur Einmündung der Mischkammer (1) in die Umlenkkammer (22) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß in der rohrförmigen Mischkammer (1) ein Wischerrotor (34) angeordnet ist, der der Zerstäuberdüse (2) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Wischerrotor (34) mit wenigstens zwei radial ausgerichteten Wischerblättern (35) versehen ist, auf die jeweils wenigstens eine Düsenöffnung ausmündet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Abzugs (13) für die Rücklaufflüssigkeit ein sich in Abhängigkeit vom Druck in der Flüssigkeitszufuhr (3) selbsttätig einstellendes Auslaßventil (14) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Abzugs (13) für die Rücklaufflüssigkeit ein Wärmetauscher (16) angeordnet ist, der in der Rücklaufflüssigkeit liegt und durch den die zur Zerstäuberdüse (2) gelangende Flüssigkeit hindurchgeführt wird.