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Zerstäuben von Flüssigkeiten mit dispergierten fluiden Phasen

 

  Dr.-Ing. M. Lörcher

 

    Zerstäuben von Suspensionen

In vielen technischen Anwendungen des Zerstäubens von Flüssigkeiten sind Sprays mit möglichst kleinen Tropfendurchmessern und enger Größenverteilung gefordert. Um derartige Sprays zu erzeugen, wird innerhalb des Düsenkanals bei kleinen Geschwindigkeiten ein Gas in der zu zerstäubenden Flüssigkeit dispergiert. Das zweiphasige Gemisch wird beschleunigt, so daß sich im Düsenaustrittsquerschnitt der kritische Massenstrom einstellt. Dabei tritt eine Phaseninversion ein. Die ursprünglich innerhalb der Düse in kontinuierlicher Form vorliegende Flüssigkeit verläßt die Düse als disperse Phase.

Ein ähnlicher Effekt ist zu erzielen, wenn in der zu zerstäubenden Flüssigkeit vor dem Entspannen eine zweite nicht mischbare flüssige Phase dispergiert wird. Nach Druckabsenkung im Düsenaustrittsquerschnitt liegt diese in überhitzter Form vor und verdampft plötzlich. Die Volumenexpansion trägt dann maßgeblich zur Tropfenbildung während des Zerstäubens bei. Die erzeugten Sprays weisen besonders geringe Tropfendurchmesser auf.

Düsen dieser Bauart werden zum Zerstäuben von Flüssigkeiten mit dem Ziel der Abkühlung heißer Gase eingesetzt. Sie finden ebenfalls in Sprühtrocknern und in Abgaswäschen sowie bei der Schlammverbrennung Verwendung.

Bild 1: Das R+I Fließbild der Versuchsanlage

Im Rahmen der Forschungsarbeit wird auf experimentellem Wege der Zusammenhang zwischen den Eigenschaften des erzeugten Sprays und denen der im Düsenkanal vorliegenden zweiphasigen Strömung untersucht. Mit Hilfe einer lokal und zeitlich hoch auflösenden elektrischen Sonde werden die Volumenanteile der Phasen in der zweiphasigen Strömung vor dem Düsenaustritts-querschnitt gemessen. Im Düsenaustrittsquerschnitt wird die Strömungsform mit einem faseroptischen Sensor beobachtet. Die Tropfengrößenverteilungen und die Geschwindigkeitsfelder im Spray werden mit Hilfe der Phasen-Doppler-Anemometrie gemessen. Aus der Analyse der experimentellen Ergebnisse wird ein Berechnungsverfahren entwickelt. Dies soll dazu dienen die Strömungskanäle in der Düse so festzulegen, daß vorhersagbare Tropfenschwärme in Form von Sprays hergestellt werden können.