zerstäuben von flüssigkeiten - ETH E

Diss. ETH Nr.
11723
CHARAKTERISIERUNG VON DÜSEN ZUM
ZERSTÄUBEN
VON
FLÜSSIGKEITEN
ABHANDLUNG
zur
Erlangung
Titels
des
DOKTOR DER TECHNISCHEN WISSENSCHAFTEN
der
EIDGENÖSSISCHEN TECHNISCHEN
vorgelegt
HOCHSCHULE
von
THOMAS RAETZO
Dipl. Masch.-Ing. ETH
geboren am 11. September 1965
von St. Antoni und Fribourg (CH)
Angenommen auf Antrag von
Prof. Dr. L. Reh, Referent
Prof. Dr. F. Widmer, Korreferent
Zürich
1995
ZÜRICH
IV
Zusammenfassung
Das Zerstäuben
von
Flüssigkeiten
bei industriellen Durchsätzen bis
energieumwandelnden
und
Düsentypen ermöglicht
ligen
Prozess
dem
geeigneten
vorgänge innerhalb und
die
Entwicklung
neuer
zur
zu
1 t/h ist
Prozessen. Die
Ingenieur
eine
vorliegende
innenmischende
einige
einen
um
Prozesse
Zur
am
gezielte
Sprühkegel
zur
erlaubt die
Düsenprüfstand
zu
sogar
entste¬
Oberfläche.
Eingang
bis 1 t/h
wurden
Geschwindigkeit
von
eingestellt.
ein
Phasen-Doppler-
und eine
Messgeräte ermöglichten
Sprühkegel gesaugten
Flüssigkeitsmassen-
Institut
neu
entwickelte
z.T. rasche
und somit eine zusätzliche Kontrolle der Messwerte. Beim
Funktionsprinzips
zur
PDPA
ist
eine
richtigen Anwendung
für die
für die
messsonde. Die verschiedenen
berührungsfrei arbeitenden
und -ge-
Flügelradanemometer
flussbestimmung (Patternator)
am
Flüssig¬
Der
Tropfengrössen
des in den
spezieller Tropfenkollektor
ein
wesentlich mehr als in
Untersuchungen (0.1...70 kg/h).
eine Pitot-Sonde und ein
Richtung
Umgebungsgases,
-
der Dralldruckdüse wurde bis 70 bar
und
in
abwärtsgerichteten Sprühkegeln
vertikal
Flüssigkeitsdurchsätze betrugen
schwindigkeiten,
gleiche
jewei¬
Strömungs¬
Optimierung,
massenspezifischen
Sprühkegelcharakterisierung eingesetzt
Messung
Auswahl der für den
Nutzung des bei der Zerstäubung
Partikel-Anemometer (PDPA) für die Detektion
von
in stoff-
verschiedener
Fest-Flüssig-Suspensionen mit feinem Feststoff (xrj,99< 8 u.m)
vielen bisher veröffentlichten
keitsdruck
Bedeutung
Charakterisierung
Zweistoffdüse; Dralldruckdüse. Dazu wurde Wasser und für
einem bestehenden
zerstäubt. Die
Tropfen (1 ...200 u.m)
grosser
Arbeit vergleicht die Sprühkegeleigenschaften dreier Düsen
Typs: Aussenmischende Zweistoffdüse; schaumbildende,
verschiedenen
Versuche
von
Düse. Ein verbessertes Verständnis der
henden grossen Potentials einer enormen,
Die
feiner
Erzeugung
umfangreiche
Impuls¬
Querver¬
optisch
Kenntnis
und
des
unerlässlich. Die anderen Mess¬
systeme erlauben, Sprühkegeldaten einfacher, kostengünstiger und viel rascher
als mit dem PDPA
zu messen.
Untersuchungen zeigen, wie die schaumbildende Zweistoffdüse gegenüber der
aussenmischenden bei gleichen Durchsätzen Tropfen mit feineren mittleren
bei jedoch entsprechend höherem Energieaufwand
Sauterdurchmessern
-
-
erzeugt. Die Dralldruckdüse bildet
Tropfen
mit den
grössten
mittleren Sauter¬
durchmessern, dafür bei geringerem spezifischem Energieaufwand. Ihre radia¬
len
der
Sauterdurchmesserprofile steigen
Sprühkegelmitte
von
einem
gegen den Rand hin stark
an.
vergleichbar
tiefen Niveau in
Die Zweistoffdüsen
hingegen
V
erzeugen für ein Luft-Wasser-Massenstromverhältnis
grösser als
0.5 ein
ca.
flaches Profil.
Die
Darstellung der Tropfenspektren
funktionen
upper-limit-Funktion.
einer
Flüssigkeitsdrallkörper
Ein
deren
Sprühkegeln
zweiparametriger Verteilungs¬
erfolgt am besten mit
Die Rosin-Rammler-Funktion weist im Feinbereich
Abweichungen
beträchtliche
mittels
und Simulationszwecken
Berechnungs-
zu
von
den
Tropfengrössenhistogrammen
in der aussenmischenden Zweistoffdüse bewirkt in
gleichmässige Verteilung
eine
auf.
des
Flüssigkeitsmassenflusses.
Letzteren konzentriert die schaumbildende Zweistoffdüse in der
Sprühkegel¬
mitte. Die Dralldruckdüse bildet wegen den nach Düsenaustritt
der
angreifenden Zentrifugalkräften
keit
Hohlkegel.
einen
an
hohen Düsenvordrücken bis 70 bar und Düsenabständen über 0.3
Vollkegel
um.
Die
Die
Sprühkegel
gas
an
(Entrainment).
vor
Sprühkegel
Bis
zu
allem
vom
einem Abstand
ab. Ein Grund hierfür
Unterbinden
des
von
zum
1
von
Das Entrainment
in den
mit konstruktiven
praktisch unveränderten,
Beim Zerstäuben
von
Suspensionen
der aussenmischenden Düse
sern
Sprühkegeln.
Tropfengrössen.
mit Zweistoffdüsen entstehen
Tropfen
Wasserzerstäubung.
derungen. Auf die Suspension
kegel
bewirken eine
Veränderung
in den
fluiddynamisch optimal
führung,
Zentrifugalkräfte
wirkende
sind weitere
in der
aussen¬
Gas-Flüssigkeitsvermi¬
Wasserverdunstung
im
Sprüh¬
der Feststoffkonzentration und der mittleren
Tropfen
über einen
Sprühkegelquerschnitt.
konstruierte Düsen, sowie mit einer
die eine effizientere Interaktion
ermöglicht,
allem bei
mit deutlich grösseren Sauterdurchmes-
in der schaumbildenden Düse, sowie die
Feststoff-Partikelgrösse
Durch
vor
Die radialen
mischenden Zweistoffdüse, Interaktionen während der
schung
im
Sprühkegel
Verteilungen der Flüssigkeits¬
keine signifikanten Verän¬
Wassersprühkegeln
zeigen gegenüber
als bei der
massenflüsse
mittleren
im
12mal
Umhüllungen
Nahbereich der aussenmischenden Zweistoffdüse verbreitert den
bei
eine
können
m
in der Dominanz des bis
Flüssigkeitsimpulsstrom
Entrainments
einzige
auf.
Flüssigkeitsmassenstrom
vom
liegt
in einen
m
Mengen Umgebungs¬
der Düse
Zerstäubergasstromes betragen.
Gas- und kaum
grösseren Gas- im Vergleich
Ein
Flüssigkeitsmassenflusses
des
der Zweistoffdüsen saugen beträchtliche
diese bis etwa das 30fache des
hängt
dieser Düse weisen als
Sprühkegelquerschnitte
rotations-asymmetrische Verteilung
Flüssig¬
Dieser wandelt sich bei
Verbesserungen
von
der
Zerstäubergas
Zerstäubung
und
Strömungs¬
Flüssigkeit
anzustreben.
VI
Summary
atomization is
Liquid
key Operation
very often used
a
applications.
used, which differ considerably in regard
liquids
be atomized and the
to
atomizing
and
liquid
regard
nozzle type selection for different
mass
Twin-fluid nozzles of
therefore have been
external-mixing
investigated
industrial size
existing
suspensions
as
test
in
and
surrounding
gas.
are
Especially drop
important
very
internal-mixing, effervescent type
comparison
pressure swirl nozzle. An
to a
solid-liquid
well to vertical sprays.
fine
droplets
with 1 to 200 (im Sauter Mean Diameter at
All nozzles
produced
liquid
flow rates up to 1 t/h. The pressure swirl nozzle has been
with
mass
liquid pressures
The
up to 70 bar.
values of most other
analogous
were
measured
investigations published by
Particle-Analyzer (PDPA)
a
blade anemometer to
obtain radial
developed
extensive
correct
by
than
At
liquid
momentum
knowledge
application
measuring
detect
measure
probe
to
Systems allow to
gain
res
for this
a
as
physical
Phase-Doppler-
a
a
Pitot tube and
velocity
a
newly
at the
institute
local total momentum flux. An
of the PDPA is crucial for the
and non-intrusive device.
spray data
easier, cheaper
The other
and much faster
computations.
external-mixing
corresponding higher
energy
droplets
with smaller
twin-fluid nozzle, but
input.
In
comparison
produces droplets with the largest Sauter Mean Diameters
mass specific energy consumption. The radial Sauter
profiles of this nozzle sprays increase considerably
liquid
Diameter
comparable
small values in the spray centre to
a
high
of the spray. The twin-fluid nozzle sprays in turn
flat
profile
above
an
air to
liquid
mass
flow ratio of
level at the outer
can
ca.
requi-
the pressure
swirl nozzle
lowest
of the
special droplet collector (patternator)
flow rates, the effervescent nozzle generates
Sauter Mean Diameters than the
of results, the
velocity,
size and
principles
optical
now.
line direction and
measure
of the function
of this
such
flux distributions and
mass
PDPA-measurements and
equal
stream
a
reliability
devices,
droplet
gas sucked into the spray,
surrounding
to
by
to
different
operated
flow rates exceeded the
mass
In order to get spray data and to increase the
quantities
in
applications.
allowed to atomize water and
rig
are
to momentum transfer between
flux distributions in the spray
size and
to
in many process
Atomization nozzles with different atomization mechanisms
at the
Mean
from
region
be characterized
0.5.
by
a
VII
Compared
to
upper-limit
function the
tute
the obtained
liquid
body
function turned out to be the most
in the
external-mixing
flux distribution
mass
over
liquid
cross
liquid
liquid
cone
centrifugal
forces
Only
mass
flux distribution
over
the spray
The considerable amount of
be of great
füll spray
m
the pressure swirl nozzle shows
can
particle
causes a
relatively equal
sections. The effervescent
mass
acting
flux
on
profiles
be observed, too.
circumferential
for
practical applications.
the
predominance
liquid
of the gas
flow rate in
compared
Avoiding
to
external-mixing
changed droplet
mean
a
the
of both values may be up to 12.
close to the
Within
a
nozzle, the total entrainment rate may reach 30 times
m
the gas and less to the
liquid
air entrained from the twin-fluid
surrounding
flow rate of atomization air. The entrainment rate is
to
a
sections.
cross
importance
cones can
asymmetrical
an
the set
mass
over
the fluid after the
distance of 1
from the
ränge.
pressures at the nozzle inlet of about 70 bar and
distances from the nozzle above 0.3
nozzle sprays
cross
to Substi¬
flux in the spray centre. The pressure
mass
section because of
nozzle outlet. For
the spray
hollow
finally produces
swirl nozzle
twin-fluid nozzle
adapted
Simulation purposes.
or
considerable deviation in the fine
a
nozzle concentrates the
spray
size spectra for calculation
droplet
The RR function shows
A swirl
(RR) and the log-normal distribution
the Rosin-Rammler
spray. One
liquid
momentum
entrainment
mainly
reason can
be
due
seen
in
flow, the ratio
by shielding
nozzle outlet leads to wider sprays at
the
zone
scarcely
diameters.
Atomizing suspensions with twin-fluid nozzles generates, especially
of the external-mixing nozzle, droplets with larger Sauter Mean
could be noticed than for water atomization. The radial liquid
in the
case
Diameters
mass
flux
profiles showed no significant changes to the results obtained with water.
Centrifugal forces acting on the Suspension in the external-mixing nozzle,
liquid-gas mixing effects within the effervescent nozzle, as well as evaporation
effects in the spray
particle
sizes in
Optimized
cause
droplets
changes
over a
nozzle constructions
interaction between the
improved atomization.
liquid
spray
in solid concentrations and
cross
regarding fluid dynamics and
and the
mean
solid
section.
atomizing
a more
efficient
gas should be realized for
an
VIII
Resume
L'atomisation de
liquides
pour l'obtention de fines
diametre Sauter) ä des debits
de nombreux
buses permet ä
l'ingenieur
qu'il considere.
Une meilleure
et autour
ment
par
de
du
jusqu'ä
procede"s industriels.
l'atomisation, c-ä-d.
1'optimisation, ainsi
une
tres
un enorme
que le
potentiel
developpe-
mis ä
disposition
grande surface specifique.
proprietes
d'atomisation de trois buses de
buse ä deux composants ä
:
pour
selection ciblee de la buse adaptee au procede
comprehension des conditions d'ecoulement dans
Le present travail compare les
differents types
grande importance
une
procedes, qui exploitent
nouveaux
ä 200 |Xm
La caracterisation de differents types de
d'atomisation permet
cone
gouttelettes (1
1 t/h revet d'une
melange
externe, buse ä deux
composants effervescente ä melange interne, buse ä giration.
De l'eau et pour certains essais
dans l'eau ont ete atomisees
Les debits des
importante
pression
liquides
que dans
de
liquide
anemometre
et des
special
(patternateur),
la
particules (xo,99<8umti)
vertical
dirige
Doppler
quantite notablement plus
publiees (0.1 ä 70 kg/h). La
giration
etait mise
phase (PDPA)
de
une
le bas.
une
jusqu'ä
d'atomisation, plusieurs techniques
gouttelettes,
vers
70 bar.
ont ete
utilisees:
pour la detection des vitesses
sonde Pitot et
un
anemometre ä helice pour
la direction et la vitesse du gaz environnant empörte par le cone,
collecteur
en
ä effet
diametres des
mesurer
jusqu'ä
1 t/h,
cone
de recherches
ä l'entree de la buse ä
cone
de fines
la forme d'un
montaient
beaucoup
Afin de caracteriser le
un
Suspension
une
sous
de
pour determiner le flux
gouttelettes
et une sonde nouvellement
developpee
massique
ä 1' Institut pour
un
liquide
du
mesurer
quantite de mouvement dans le cone d'atomisation. Ces techniques permettent
partie de comparaisons rapides ainsi qu' un contröle supplementaire des
valeurs
mesurees.
connaissance
autres
Le PDPA, methode
approfondie
de
techniques permettent
d'atomisation de maniere
Pour des debits
son
de
principe
mesurer
plus simple,
identiques,
optique
et
non-invasive, requiert
une
de fonctionnement. Par contre, les
les donnees
caracteristiques
moins onereuse, et
au
cone
plus rapide.
des etudes montrent que la buse effervescente, par
rapport ä la buse ä melange externe, produit des gouttelettes de diametre de
Sauter moyen
plus grande.
plus petits, quoi
La buse ä
Sauter moyens les
moindre. Son
comparativement
giration
plus grands,
profil
que
s'accompagnant
forme des
gouttelettes
et ceci pour une
faible
au
masse
air/eau
centre du cone ä un niveau
superieur
ä
env.
0.5.
depense energetique
avec
les diametres de
depense energetique specifique
radial du diametre de Sauter croit
Les buses ä deux composants par contre forment
rapport de
d'une
un
rapidement d'un niveau
plus important
profil
radial
plat
au
bord.
pour
un
IX
Dans
de Simulation
perspective
une
spectre des
gouttelettes
de calcul, la meilleure
ou
au
upper-limit.
est obtenue ä l'aide d'une distribution
particules,
rapport
Le
la
Dans le domaine des fines
aux mesures.
girotationnel
mecanisme
dans la buse ä
melange
massiques
d'atomisation. Cette derniere est concentree
au
buse effervescente. En raison des forces
giration,
la buse ä
transforme
celle-ci forme
en un cone
des distances
uniquement,
plein
superieures
symetrique
ä 0.3
massiques
Pour
m.
du
buse, celles-ci peuvent
se
massique
monter ä une
quantite
de gaz dans le cöne d'atomisation et ä
Une raison reside dans la dominance de la
quantite
les cönes d'atomisation par rapport ä celle du
importante.
cone
Celui-ci
se
dans
une
section
une
quantites
des
distance de 1
m
egale
ä 30 fois celle
depend
avant tout du
d'air
de celui du
peine
liquide.
de mouvement du gaz dans
liquide, qui
est
jusqu'ä
12 fois
plus
La reduction de l'entrainment par la construction d'une
autour de la zone
du
liquide dans
type de buse
aspire
(entrainment). Jusqu'ä
utilisee pour l'atomisation dans la buse. L'entrainment
debit
de la
cas
70 bar et pour
ce
liquide
d'atomisation des buses ä deux composants
cone
creux.
cone
autour de Taxe vertical.
considerables de gaz environnant
la
d'atomisation
le
sur
une
dans le
dans le
cone
grandes pressions jusqu'ä
distribution des flux
la
du
centre
induit
externe
liquide
du
centrifuges agissant
cone
un
pour des
la buse
sous
transversale n'est pas
sous
du
Rosin-Rammler montre des ecarts considerables par
representation
distribution relativement uniforme des flux
Le
representation
moyen de fonctions de distribution ä deux parametres
proche
de la buse ä
d'atomisation tout
melange
enveloppe
l'elargissement
externe provoque
laissant les diametres moyens des
en
gouttelettes
inchanges.
En atomisant des
suspensions
de diametre de Sauter
pour la buse ä
liquide
Un
ne
melange
sur
la
changements significatifs
cone
gouttelettes
ces
fluides,
notables dans les
et
ceci
gouttelettes
particulierement
par rapport
massiques
au cas
de
de l'eau.
dans la buse
une
phenomenes
melange
section transversale
sont, les forces
a
6te
centrifuges
externe, les effets resultant des
effervescente, de
meme
que
l'evaporation
de
dynamique
de
d'atomisation.
et accompagnees d'un
optimale
ä travers
dans la buse ä
Avec de buses construites de maniere
action
observees,
Les distributions radiales des flux
expliquant
Suspension
melanges gaz-liquide
l'eau dans le
ont ete
de la concentration des solides et du diametre moyen des
solides dans les
observee. Les raisons
agissant
plus grand
externe.
montrent pas de
changement
particules
les buses ä deux composants, des
avec
entre le gaz
guide
optimale
du
point
de
vue
d'ecoulement pour permettre
d'atomisation et le
procedes d'atomisation
est
liquide,
ä obtenir.
une
une
inter-
ameliorations