Chemie lngenieur Technik (70) 4 I 9 8 S. 400-405 0 WILEY-VCH Verlag GrnbH. D-69469 Weinheirn, 1998

0009-286W980404-0400 $17.50+.50/0

& [w m-3] Energieeintrag esusp F g m-3] Suspensionsdichte CS ["/.I Startiibersattigung 9, ["CI Endtemperatur 9, ["CI Starttemperatur

A9 [KI Unterkiihlung ["CI Sattigungstemperatur

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Gestaltung laminar betriebener Rotationszerstauber unter Beruck- sichtigung der Abstromgeometrie"

T H O M A S S C H R O D E R U N D P E T E R W A L Z E L * ^

Zur Herstellung von Tropfen mit enger Grodenverteilung wurde ein neues Zerstaubungsverfahren entwickelt. Es handelt sich dabei um einen Rotationszerstauber mit einer Vielzahl vergleichsweise groder Austrittsoffnungen (LAM-

ROT^)), die laminar durchstromt werden [l]. Der Zerstauber besteht aus einem dickwandigen Zylinder mit Bohrungen als Stromungskanale, s. Abb. 1. In den Bohrungen stromt die Fliissigkeit als laminares Gerinne. Am Bohrungsaustritt bilden sich Freistrahlen, die nach dem Rayleigh-Prinzip zer- fallen und nahezu monodisperse Tropfen bilden.

. . . , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , . . . . . * Vortrage auf den GVC-Fachausschuflsitzun-

gen .Mehrphasenstromungen", 17./18. Febr. 1994 und 25./28. Febr. 1997 in Wurzburg.

GmbH & Co. KG, Am Alten Bach 20-24, D-41470 Neuss; Prof. Dr. techn. P. W A L Z E L , Lehrstuhl fur Mechanische Verfahrenstech- nik und Apparatetechnik, Universitat Essen, D-45117 Essen.

1) Pat. No. W094/21383, Kooperation mit NIRO GmbH, Kopenhagen.

2) Eine Zusammenstellung der Formelzeichen befindet sich am Schlufl des Beitrags.

** Dr.-Ing. T. S C H R O D E R . S I L E S I A G E R H A R D H A N K E

Abbildung 1. Erste Bauforrn eines Viellochzylinders (LAMROT-Zerstauber) fur einen Flussigkeitsdurchsatz von 1 rn3/h. Die Bohrungen rnit einern Durchrnesser von D,= 3 rnrn sind gegen die radi- ale Richtung um 30" in der Rotationsebene geneigt. Die Lochzahl betragt N = 1080. Durch den Einsatz der Rohrchen wird die erforderliche Lange von UD, = 10 bei auBerdern hinreichender Uberstandslange erzielt. Der Abstromradius der Rohrchen betragt R = 92 rnrn.

Es werden die wesentlichen Merkmale der Zer- stauberkonstruktion vorgestellt. Neben der Berechnung bm. Bestimmung einer geeigneten Kanal- bzw. Bohrungs- geometrie werden Methoden zur gleichmadigen Aufteilung des Fliissigkeitsstroms auf die Stromungskanale beschrie- ben. Besonderes Augenmerk mud auf die Abstromkanten am Bohrungsaustritt gelegt werden. Wegen ungiinstiger Stromungsverhdtnisse wurden erste Prototypen nachtrag- lich mit Rohrchen versehen, die in die Stromungskanale eingesetzt waren und aus dem Zerstauberkorper herausrag- ten. Die aufwendige Konstruktion legte weitere Entwicklun- gen nahe.

1 Problemstellung Die Entwicklung erster Prototypen erfolgte im wesentlichen mit Hilfe von Modellen im Schwerefeld, die durch theoreti- sche ijberlegungen zur Filmstromung auf ebenen Platten gestiitzt werden.

Durch ijbertragung der Ergebnisse mit Hilfe der lihnlichkeitstheorie auf das Zentrifugalfeld konnen wichti- ge Datenwie die erforderliche Anzahl der Bohrungen, deren Neigung, deren Durchmesser und Lange bestimmt werden. Daraus ergeben sich die Hauptabmessungen eines LAMROT- Zerstaubers. Weitere Konstruktionshinweise sollten aus einer Untersuchung der Abstromgeometrie und der Fliissig- keitsaufteilung auf die Bohrungen am rotierenden Zerstau- ber gewonnen werden. ZielgroRen sind die geometrischen Abmessungen des Zerstaubers und die Kreisfrequenz w fiir eine gewiinschte mifflere TropfengroBe dSa3 bei vorgege- benen Stoffwerten der Fliissigkeit, wie Oberflachenspan- nung (T, Viskositat r] und Dichte p, sowie fiir einen vorgege- benen Durchsatz bm. Volumenstrom V2) .

2 Anzahl der Bohrungen Die Breite der Tropfengrodenverteilung wird im wesentli- chen durch die Stromungsbedingungen am Zerstauber be- stimmt. Es ist bekannt, dad der Rayleigh-Zerfall laminarer

Chernie lngenieur Technik (70) 4 I 9 8

Strahlen zu einem engen Spektrum fiihrt. GroRe Durchsatze erfordern daher das Aufteilen der Stromung auf eine Viel- zahl von Bohrungen, damit die Laminaritat der Stromung gewahrleistet bleibt. Die Aufteilung der Flussigkeit soll mog- lichst gleichmaRig sein, nur dann konnen gleiche Stro- mungszustande und Strahldurchmesser am Austritt der Bohrungen envartet werden. Unter der Annahme dunner Schichten 6 << DB kann die Gerinnestromung in den Boh- rungen mit dem Durchmesser D, mit den Beziehungen fiir die Filmstromung auf geneigten Platten beschrieben werden. Dazu wird die Filmdicke 6 durch die hydraulische Schichtdicke 6, des Gerinnes ersetzt. Die Stromung ist dem- gemaR laminar, wenn die Reynolds-Zahl der Gerinnestro- mung Re, = W p 6h/q einen bestimmten Grenzwert nicht iiberschreitet [ 2 ] .

Resh < 400 ( 1 )

Die Reynolds-Zahl wird mit der hydraulischen Schichtdicke gebildet, fur die mit guter Naherung gilt

6, = ( 2 / 3 ) 6 ( 2 )

Die Reynolds-Zahl fiir Gerinnestromungen in Rohren mit rundem Querschnitt ist

Resh = a, cos c1 p2$/(3q2) ( 3 )

Die Zentrifugalbeschleunigung a, = R o2 wird dabei am Abstromradius des Zerstaubers gebildet. Fur einen vorgegebenen Durchsatz VB der durch jede der Bohrungen stromt, erhalt man in guter Annaherung

(4)

Durch Kombination von G1. (3 ) und G1. ( 1 ) sowie mit der Ohnesorge-Zahl On = q/(DB p o)'/' und der Bond- Zahl Bo = Di p a,/o wird der Durchsatz pro Bohrung in di- mensionsloser Schreibweise mit o* = VB(a2 p5 /a5)1 /4

V g < 3200 BO~/'~/(COS u ) ' / ~ ( 5 )

G1. ( 5 ) beschreibt den La-

Die Laminaritatsbedingungen und der vorgege- bene Gesamtvolumenstrom V fiihren schlieRlich zur Anzahl der Bohrungen am LAMROT-Zerstauber.

N = V/VB (7)

Die TropfengroRe im hier definierten Durchsatzbereich liegt nach [3] im Interval1 2,O < d* < 2,5, wobei die dimensionslose Tropfengroge nach [4] mit d* = d50,3 ( p a,/a)'iz definiert ist.

3 Neigung der Bohrungen Versuche im Schwerefeld mit langen Rohren LID, > 30, bei denen die Zentrifugalbeschleunigung durch die Erdbe- schleunigung ersetzt wird, zeigten, daR an niedrigviskosen Flussigkeiten eine Mindestneigung zur Vertikalen mit E > 15" erforderlich ist, damit die Stromung vom ringfonni- gen Querschnitt zum sektorformigen Querschnitt ubergeht [5 ] . Im Fall1 der ringformigen Stromung, die an angenahert senkrechten Rohren beobachtet werden kann, treten am Rohrende heterogene Stromungszustande mit gleichzeiti- gem Abtropfen und Fadenbildung auf. Die entstehenden Tropfen haben deshalb eine breite GroRenverteilung. Bei ausreichender Neigung hingegen erhalt man die ge- wiinschte Gerinnestromung rnit sektorformigem Quer- schnitt auch mit hoherviskosen Fliissigkeiten. Sie fiihrt zu einem einzigen Flussigkeitsstrahl.

Heterogene Stromungszustande konnten auch an Rotationszerstaubern mit radialen Bohrungen festgestellt werden. Offensichtlich reicht der Betrag der Coriolisbe- schleunigung a, =I 2 W o I infolge der geringen mittleren Stromungsgeschwindigkeit W in den Bohrungen allein nicht aus, die Flussigkeit zu einem sektorformigen Gerinne zu sammeln und sie auf einer Bohrungsseite zu positionieren, s. Abb. 2 a. Aus diesem Grund werden die Bohrungen zur radialen Richtung geneigt, s. Abb. 2 b. In diesem Fall wirkt

minaritatsbereich. Man mu8 aller- dings davon ausgehen, daR schon vor Erreichen des turbulenten Zu- standes Wellenbildung im Gerinne

Abbildung 2. Wirkung der Zentrifugal- und Coriolisbeschleunigung auf die Stromungsform bei Gerinnestromungen in rohrformigen Kanalen im Rotationsfeld. a - radiale Bohrun- gen; b - zur radialen Richtung geneigte Bohrungen. lnfolge der Bohrungsneigung wirkt eine Komponente der Zentrifugalbeschleunigung normal zur Bohrungsachse und positioniert dadurch das Gerinne auf einer Seite der Bohrung. auftritt [ 2 ] . Deshalb soll der Durch-

satz pro Bohrung moglichst niedrig sein. Zur Strahlausbildung an der Ab- stromkante ist andererseits ein be- stimmter Mindestdurchsatz erforder- lich [ l ] . Fur moderate Viskositaten stellt sich der ijbergang vom Abtrop- fen zum Zertropfen angenahert bei

vg 2 1 (6)

ein. Ein gunstiger Betriebsbereich am laminar betriebenen Rotationszer- stauber liegt f ir den Durchsatz pro Bohrung bei 4<% < 2 0 . Im Fall viskoser Flussigkeiten, d. h. fiir q* = q ( ~ , / a ~ p ) ~ / ~ 2 O , l , sind auch ho- here Durchsatze moglich.

Chemie lngenieur Technik (70) 4 I98

4 -

LL

z"

0

Abbildung 3. Vergleich des Einheitlichkeitsparameters der RRSB-Verteilung fur Tropfen an Zerstaubern mit radialen und geneigten Boh- rungen bei sonst gleichen Betriebsparametern.

radiale Bohrungen

A /

Bohrungszahl: 1080 R = 92 mm DB = 3 mm 4 o= 0,80 m3/h

Stofherte: p = 1150 kg/mS cT = 70.1 0-3 NI,,, q = 100 mPas

6 , geneigte Bohrungen I

auch eine Komponente der Zentrifugalbeschleunigung nor- mal auf die Bohrungswand. Solange der Neigungswinkel ausreicht, ist die Richtung der Neigung zunachst unerheblich. Fur Flussigkeiten mit einer Viskositat von q = 100 m Pa s wurde im Schwerefeld eine Mindestneigung von LY = 30" errnittelt. Der Effekt dieser Orientierung wurde durch TropfengroRenmessungen an zwei verschiedenen LAMROT-Zerstaubern mit verschiedenen Drehzahlen und Durchsatzen bei radialen und geneigten Bohrungen bestatigt. Abb. 3 zeigt das Ergebnis der Messungen. Der Gleichmagigkeitsparameter NRRsB der RRSB-Verteilung ist ca. um den Faktor 2 groRer bei geneigten Bohrungen als bei radial angeordneten Bohrungen. Die Neigung der Boh- rungen erfolgte zunachst durch Drehen in der Rotationsebe- ne, vergleiche dazu auch Abb. 1 und Abb. 2.

4 Durchmesser der Bohrungen Bei den hier betrachteten Bohrungsdurchmessern D, 2 2 mm und Bond-Zahlen Bo > 28 ist die Schichtdicke 6 der Gerinnestromung Mein gegen den Bohrungsdurch- messer. Der Grenzwert fir Gerinnestromung ist an radialen Bohrungen durch die Auslaufgrenze Bo = 28 gegeben [6]. Mit D, 2 2 mm sind die Bohrungen in der Praxis grog ge- nug, um Verstopfungen zu vermeiden. Durch die nur zum Teil mit Flussigkeit gefullten Bohrungen kann zur Konditio- nierung des Produktes im Bedarfsfall auch ein Gas geleitet werden. Im Fall nach unten geneigter Bohrungen ist damit augerdem ein axiales Ablenken der Tropfen moglich, wo- durch der Einsatz des Verfahrens auch in schlanken Spriih- tiirmen erleichtert wird.

5 Bohrungslange Zur Ausbildung eines sektorfomigen Stromungsquer- schnitts im Gerinne ist wegen der undefinierten Eintrittsbe- dingung in die Stromungskanale eine bestimmte Mindest- lange der Bohrungen erforderlich. Untersuchungen im Schwerefeld mit einer ringformigen Flussigkeitsaufgabe er- gaben bei einem Neigungswinkel a = 30" fur den ungunsti- gen Fall der Benetzung bei 0, < 10 O fur die Einlauflange

L/6h 2 150 (8)

Im untersuchten Bereich 70 < Bo < 600 und 0.04 < 6,/D, < 0.14 sowie V; I 2 0 ist eine bezogene Min-

destlange von LID, 2 10 erforderlich. Man kann davon aus- gehen, dag grogere Neigungswinkel der Bohrungen kurzere Einlauflangen erfordern.

6 Flussigkeitsaufteilung im Zerstauber

Gleiche Stromungszustande in allen Bohrungen sind nur dann zu envarten, wenn die Flussigkeit gleichmadig in axia- ler Richtung und in Umfangsrichtung aufgeteilt wird. Das kann mit verschiedenen konstruktiven MaRnahmen, z. B. mit im Zerstauber befestigten mitrotierenden Einbauten wie Lochplatten oder Fullkorperschuttungen und mit Du- sensystemen, erreicht werden. Die Kombination von Flach- strahldusen mit konzentrischen Lochzylindern, die bei niedrigen Driicken Ap < 1 bar betrieben werden, erlauben eine praktisch homogene Verteilung. Es werden dazu z. B. vier Flachstrahldusen mit 90"-Teilung auf einem stillstehen- den Dusenstock in der Hohlwelle des Zerstaubers so mon- tiert, daR die gebildeten Lamellenfacher angenahert senk- recht stehen, s. Abb. 4. Eine geringfugige Neigung der Aus- trittsellipsen oder Dusenmundungen erlaubt dabei eine An- passung von Spriihwinkel und Zerstauberhohe. Die Lochzy- linder weisen Bohrungen auf, deren Durchmesser groJ3er oder mindestens gleich dem Durchmesser der Bohrungen im Zerstauber gewahlt werden. Die Lochzylinder sind in Ril- len in der Kopf- und Bodenplatte des Zerstaubers befestigt. Die konzentrischen Zylinder bewirken eine Dispersion der Flussigkeit in Umfangsrichtung und in Hohenrichtung. Da- nach erreicht die Flussigkeit die Innenwand des Zerstaubers mit angenahert gleicher Volumenstromdichte. Von dort stromt die Flussigkeit in die Bohrungen des dickwandigen AuRenzylinders ab. Die Dispersion an den Lochzylindern ist auch in der Lage, UngleichmaRigkeiten im Spriihfacher der Flachstrahldusen bis zu einem gewissen Grad auszu- gleichen. Gleiches gilt f ir die infolge eines zu breiten Lamel- lenfachers an der Kopfplatte und Bodenplatten gesammel- ten Flussigkeit. Besonders stark ist die Dispersion in Um- fangsrichtung.

Abbildung 4. a - Rotationszerstauber mit konzentrischen Lochzylindern und einem stillstehenden Dusenstock fur Flachstrahldusen zur gleichmaBigen Aufteilung der Flussigkeit. Die Bohrungen sind bei der gezeigten Bauform nach unten geneigt; b - Detail der Abstromkanten.

I

b

Chemie lngenieur Technik (70) 4 I98 403

Abbildung 5. Verteilung der Flussigkeit in Urnfangsrichtung und in Hohenrichtung beirn Verteilen der Flussigkeit rnit 4 Flach- strahldusen. Die Winkellage der Auffangsonde zum Aufprall- punkt eines Lamellenfachers ist auf der Abszisse aufgetragen. Gezeigt ist der lokal aufgefangene Volumenstrorn bezogen auf den Gesarntvolurnenstrorn aller Sondenstellungen.

q = 1 mPas u = 0,072 Nlm zum Auftreffpunkt

90'

Das Spriihbild des Rotationszerstaubers wurde mit einer stationaren, in Hohen- und Umfangsrichtung ver- stellbaren Rohrchensonde unmittelbar am augeren Umfang des Zerstaubers gemessen. Abb. 5 zeigt die Umfangsvertei- lung uber die Winkelstellung der Auffangsonde zum Auf- prallpunkt eines Lamellenfachers sowie die Hohenver- teilung, gemessen an den Lochreihen R2 - R14 mit 4 Flachstrahldusen. Wesentlich gleichmaiger ist die Vertei- lung, wenn zusatzlich 2 Lochzylinder eingebaut werden, s. Abb. 6. Eine noch bessere Verteilung ist mit 6 Flachstrahl- dusen in Kombination rnit drei Lochzylindern erreichbar. Wegen der Druckabhangigkeit des Spriihwinkels an Flachstrahldusen liegt das Durchsatzverhaltnis zwischen Minimal- und Maximalmalwert etwa bei 1 : 3.

Abbildung 6. Umfangsverteilung der Flussigkeit in rnittlerer Hiihe des Zerstaubers bei gleichzeitigern Einsatz von 4 Flachstrahl- dusen in Kombination rnit 2 Lochzylindereinsatzen. Die Winkelstellung der Sonde entspricht der in Abb. 5.

. Wlnkelstellung

N = 1080 ~ 1 = 1 mPas , \ 1-

90' U, = 800 Ih u = 0,072 Nlm

Abbildung 7. Teekannen-Effekt nach [7] bei Filrnstrornung. Nur bei hin- reichend kleinem Winkel y legt sich die Flussigkeit nicht an die Unterkante der Abstromflache an, linke Skizze.

7 Geometrie der Abstromkanten Bei vergleichsweise niedrigen Durchsatzen kann man auch an herkommlichen Rotationszerstaubern beobachten, dad die Flussigkeit die Locher nicht als Freistrahl verladt, son- dern dad der Strahl zunachst am audern Umfang des Zylin- ders ,,haftet". Erst nach einer Umlenkung, die mit einer Auf- weitung bei gleichzeitiger Abbremsung des Strahls verbun- den ist, verladt der Flussigkeitsstrahl den auderen Zylinder- mantel des Zerstaubers. Dies ist oft mit turbulenten Schwan- kungsbewegungen verbunden. Der Grund fur die Umlen- kung ist der sogenannten Teekanneneffekt, dessen Ursache einerseits in der Benetzung der Abstromflache und anderer- seits im Impulsaustausch der verschieden schnell stromen- den Schichten an der Ablosekante liegt. Eine Ablenkung des Strahls zur Ablosekante hin ist unvermeidbar, da die Deh- nung der wandnahen Schichten nach der Ablosekante ein Drehmoment am Strahl verursacht. Der Fall definierter Ab- losung kann mit der Beziehung von G I B B 5 gefunden werden: 8, < 8, + (180 " - y ) . Eine ausfiihrliche Analyse des Vorgangs ist in [7] beschrieben, s. dazu auch Abb. 7. Die Umlenkung an der Abstromflache kann reduziert werden. wenn der Winkel y klein genug gewahlt wird oder wenn die Oberflache eine geringe Haftneigung, d. h. einen groden Randwinkel 8,

zur Flussigkeit aufweist, wie z. B. PTFE. In der Praxis stellt sich jedoch nach einer bestimmten Kontaktzeit meist durch Verunreinigungen dennoch Benetzung ein.

Zum Verhalten der Stromung am Austritt runder Offnungen in geneigten Platten wurden Versuche fur den Benetzungsfall im Schwerefall durchgefuhrt. In die Offnung wurde ein Rohr eingesetzt, dessen aers tand durch axiales Verschieben in der Platte eingestellt werden konnte. In Abhangigkeit vom Neigungswinkel a der Platte b m der Rohrachse, vom Flussigkeitsdurchsatz und den Stoffwerten der Flussigkeit kann die fherstandslange b ennittelt wer- den, bei der sich die Flussigkeit von der Plattenoberflache ablost. Fur eine Glucosesirup/Wasser-Losung mit einer Vis- kositat von q = 100 m Pa s bm. q* = 0,23 und einem Flussig- keitsdurchsatz V = 15 l/h bzw. = 5 ist beispielhaft fur einen Bohrungsdurchmesser D = 30 mm bzw. Bo = 160 und einen Neigungswinkel a = 40" das Anhaften des Strahl an die Platte in Abb. 8 a gezeigt. Das Rohr hat in diesem Fall keinen fherstand. Andererseits kann definiertes Ablosen von der Abstromkante am Rohr festgestellt werden, wenn der merstand des Rohres b = 4 mm bei einer Rohnvand- starke von s = 5 mm bei sonst gleichen Einstellungen be- tragt, s. Abb. 8 b. Fur definierte Ablosung bei Bohrungsnei-

Chemie lngenieur Technik (70) 4 I98

Abbildung 8. Abbildung 10. Anlegen (a) und Ablosen (b) der Flussigkeit beim Ausstro- men des Gerinnes aus einer rohrformigen Offnung in einem geneigten Blech. Betriebsdaten siehe Text.

a - Prototyp eines laminar betriebenen Rotationszerstaubers fur einen Flussigkeitsdurchsatz von V = 0,8 m3/h. Die Boh- rungen sind mit D, = 4 mm ausgefuhrt und mit a = 60" gegen die Horizontale geneigt. Der aui3ere Zylinderradius betragt R = 100 mm; b - lnnenansicht eines Rotationszer- staubers mit 3 konzentrischen Lochzylindern zum gleich- maBigen Verteilen der Flussigkeit.

Abbildung 9. Ablosen und Anlegen der Stromung an einer geneigten Platte in Abhangigkeit vom bezogenen Rohruberstand fur verschiedene Durchsatze und Neigungen. Die Hysterese stellt sich beim Erhohen bzw. Reduzieren des Durchsatzes ein.

gungen von CI = 30" und viskose Fliissigkeiten bei Durchsat- Zen von fi > 1 kann der nohvendige ners tand mit b/DB 2 0,12 angegeben werden. In Abb. 9 sind die gemesse- nen Ablosegrenzen mit ihrem Hysteresebereich f i r ver- schiedene Neigungswinkel der Platte eingezeichnet. Im un- tersuchten Bereich gilt mit Bezug auf die hydraulische Schichtdicke fiir definiertes Ablosen

b/& 2 4 (9)

Konstruktiv 1aRt sich der gewiinschte Stromungs- zustand am Rotationszerstauber durch Einsetzen von dunn- wandigen Rohrchen in die Bohrungen der Zylinderwand er- reichen. Diese Art der Herstellung wurde bei ersten Proto- typen gewahlt. Die Fertigung ist allerdings aufwendig und sicherheitstechnisch nicht unbedenklich. Als Alternative kann der Zerstauber mit einer dicken Zylindenvand ausge- fihrt werden, wobei die Bohrungslangen durch die Zylin- denvanddicke und die Neigung bestimmt werden. Bei einer Neigungsrichtung der Bohrungen nach unten konnen diese in V-fonnigen Ringnuten miinden, die als Ansatzflache fur das Bohnverkzeug dienen und durch einfaches Abdrehen mit einer Fase versehen werden. Auf diese Weise wird eine Abstromkante entsprechend einer Rohrwandstarke von z. B. s = 0,5 mm ausgebildet, s. Abb. 4 b. Abb. 10 a zeigt die ausgedrehten V-Nuten mit Fasen als Abstromkanten an einem Prototyp-Zerstauber. Der hier gezeigte LAMROT- Zerstauber ist mit 900 Bohrungen 0 4 mm ausgefiihrt und fur einen Durchsatz von 0.8 m3/h bei einer Drehzahl von 1500 < n < 3000 min-l ausgelegt. Die Bohrungen sind mit cc=60" gegen die Horizontale nach unten geneigt. Mit diesem Zerstauber konnen rnit wadrigen Losungen oder Suspensionen Tropfen im Durchmesserbereich von 250 < d50,3 < 450 pm mit einem GleichmaBigkeitsparameter von 4 < NRRsB < 8 hergestellt werden, wobei der niedrigere Wert von NRRsB fiir Wasser und der hohere Wert fiir Flussig-

Chemie lngenieur Technik (70) 4 I98 5. 405-408 D WILEY-VCH Verlag GmbH, D-69469 Weinheim. 1998 0009-286W980404-0405 $17.50+.50/0

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keiten mit ca. 50 m Pa s gilt. Abb. 10 b zeigt das Innere des Zerstaubers mit 3 konzentrischen Lochzylindern zum gleichmaigen Aufteilen der Flussigkeit auf die Bohrungen.

Die im Schwerefeld ausgefuhrten Untersuchungen wurden durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft unterstiitzt. Die Messung der TropfengroJen erfolgte mit Geraten, die durch Sondermiitel des Landes NRWfinanziert wurden. Beiden In- stitutionen sei hiermit f i r die Forderung herzlich gedankt.

Eingegangen am 25. August 1997 [K 22641

Formelzeichen

d50,3 [ml

n N [-I NRRSB [-I

R [ml S [ml

v [m3/s] VB [m3/s] VL [m3/s]

[ d s l - W

Coriolisbeschleunigung Zentrifugalbeschleunigung ijberstandslange Durchmesser bzw. Radius der Boh- rungen Medianwert der TropfengroRenvertei- lung Drehzahl Anzahl der Bohrungen Gleichformigkeitsparameter der RRSB-Verteilung auRerer Radius des Zerstaubers Wanddicke der Rohrchen bzw. Fasen- breite Volumenstrom Volumenstrom in einer Bohrung lokaler Volumenstrom in die Sonde mittlere Stromungsgeschwindigkeit des Gerinnes

g r i e c h i s c h e B u c h s t a b e n LY [“I Neigung der Rohr- bzw Bohrungs-

achse zur Beschleunigungsrichtung 6 [ml Schichtdicke der Gerinnestromung *h [ml hydraulische Dicke der Gerinnestro-

mung v [Pa s] Viskositat der Flussigkeit Y [“I Winkel der Ablosekante 0, [“I Kontakhvinkel der Flussigkeit zum

P [kg/m3] Dichte der Flussigkeit 0 [N/m] Oberflachenspannung 0 [l/s] Kreisfrequenz der Rotation

Zerstauber

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Zwei d i m en s io na I e quantitative Bestimmung der TropfengroBe in Sprays

T H O M A S S T A C H , M I C H A E L W E N S I N G . K A I - U W E M U N C H

U N D A L F R E D L E I P E R T Z *

Bei vielen verbrennungs- oder trocknungstechnischen Pro- zessen wird eine Flussigkeit mit Hilfe eines Zerstaubers in ein gasformiges Medium eingebracht. Die in den Sprays vor- liegende TropfengroRenverteilung ist sowohl fiir die Cha- rakterisierung des Sprays als auch hinsichtlich der Optimie- rung des Warme- und Stoffaustausches dieser Prozesse von grundlegendem Interesse.

Kommerziell erhaltlich sind heute MeRtechniken zur punktellen TropfengroRenbestimmung (Phasen- Doppler-Anemometrie, PDA) bzw zur Messung von mittle- ren TropfengroRen entlang einer Linie im Spraystrahl (Mal- vern-Technik). Die in dieser Arbeit vorgestellte zweidimen- sionale Polarisations-Mie-Technik erlaubt die gleichzeitige Bestimmung der TropfengroBen in einer Ebene des Sprays, genauer der lokalen Unterschiede der TropfengroBe inner- halb der MeBebene.

Die Polarisations-Mie-Technik ist eine Weiter- enhvicklung der zweidimensionalen (2D) Mie-Streulicht- Technik, einer vielfach zur Charakterisierung von Zerstau- bersystemen eingesetzten Laser-MeRtechnik [l-31. Im Ge- gensatz zur Mie-Streulicht-Technik, bei der das gesamte Streulichtsignal der Streuteilchen detektiert wird, werden

Abbiidung 1. Prinzipdarstellung der zweidimensionalen Polarisations-Mie- Technik zur Bestimmung von TropfengroBen in einer Ebene eines Flussigkeitssprays.

* Dip1.-Ing. T. S T A C H , Dip1.-Ing. M . W E N S I N G , Dr.-Ing. K:U. M i r N C H und Prof. Dr.-Ing. A . LEIPERTZ, Lehrstuhl fur Technische Ther- modynamik, Universitat Erlangen-Niirnberg, Am Weichselgarten 8, D-91058 Erlangen.