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Vorrichtung zum feinen Zerstäuben und gleichmäßigen Verteilen von
Flüssigkeiten in Gasen und Dämpfen Bei vielen technischen Fragen ist die Aufgabe
gestellt, Gemenge oder Gemische aus fein zerstäubten Flüssigkeiten und Gasen oder
Dämpfen zu bilden. Dies ist beispielsweise erforderlich bei der Durchführung solcher
chemischer Reaktionen, bei denen in erster Linie die Reaktionen als Oberflächenreaktionen
an der Grenzfläche zwischen flüssiger und gasförmiger Phase erfolgen. Auch bei Aufgaben
auf dem Gebiet der Gaswäsche und Gasreinigung oder z. B. bei der Heißdampfkühlung
und Dampfbefeuchtung sind Flüssigkeinen in Gasen oder Dämpfen fein zu zerstäuben
und mit dem Gas oder Dampf zu mischen. Ähnliche Fragen ergeben sich auch bei der
Feuerungstechnik der Feuerungen für flüssige Brennstoffe.
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Es ist bekannt, bei derartigen Aufgaben einen oder mehrere Flüssigkeitszerstäuber
in eine die Gase oder Dämpfe führende Rohrleitung oder eine in der Art eines Gehäuses
ausgebildete Erweiterung der Rohrleitung ein- -zubauen und die Mischung von zerstäubter
Flüssigkeit und Gas oder Dampf der Strö mung und den Strömungskräften selbst zu
überlassen. Zur Verbesserung der Gemischbildung hat man vielfach PralLiörper oder
andere Einbauten in den Gasstrom nachgeschaltet. Es hat sich jedoch dabei ergeben,
daß die Gleichmäßigkeit des erzeugten Gemisches von Flüssigkeitströpfchen und Gas
oder Dampf vollkommen unzulänglich ist Außerdem ergeben die Einbauten von Prallflächen
u. dgl. unerwünschte Strömungswiderstände
' der Gasführung. Auch
sind die erforderlichen Abmessungen der Einrichtungen zur Verbesserung der Gleichmäßigkeit
des Gemisches recht erheblich.
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Für die Durchführung vieler chemischer Reaktionen ist es jedoch notwendig,
die Konzentrationsverteilung des Gemisches, gemessen durch das örtliche Flüssigkeitsgewicht
je Rauminhalt, sehr gleichmäßig zu halten, da davon der Ablauf der Reaktionen im
günstigen Sinne beeinflußt wird.
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Um dies zu erreichen, wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Flüssigkeitszerstäuber
verwendet, der in bekannter Weise in der Mitte eines die Gase oder Dämpfe führenden
Rohres angeordnet ist, wobei dem Rohr solche Abmessungen ergeben werden, daß nur
die im innersten Teil des Flüssigkeitskegels enthaltenen Flüssigkeitströpfchen vom
Gasstrom mitgenommen, die übrigen dagegen ausgeschieden werden. Dabei kann man im
Bereich des zerstäubten Flüssigkeitskegels gleichachsig um den Zerstäuber eine umlaufende,
die Rohrlelttmg unterbrechende Trommel anordnen, die von einem mit der Rohrleitung
verbundenen Behälter fiir die Aufnahme der abgeschiedenen Flüssigkeitströpfchen
umgeben ist.
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Abb. 1 zeigt schematisch die Konzentrationsverteilung um einen beliebigen
Zerstäuber.
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O-o ist die Achse des Zerstäubers. Über dem Radius r ist die örtliche
Konzentration c (mg/i) aufgetragen. Bei allen Zerstäubern ergibt sich in der Achse
des Zerstäubers oder doch sehr nahe der Achse ein Maximum für die Konzentration
cmax. Mit wachsendem Halbmesser fällt die Konzentration ab, um bei einem Durchmesser
von 2 @ r,, dem Strahlendurchmeser, den Wert Null zu erreichen.
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Sind a die Begrenzwände des Gaskanals, durch den das mit Flüssigkeitstropfen
zu beaufschlagende Gas geführt wird, so erkennt man die große Ungleichmäßigkeit
der Konzentrationsverteilung, die sich dadurch angeben läßt, daß der größte Konzentrationsunterschied,
gemessen von innen nach außen, gleich der größten Konzentration selbst ist.
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Derartige Unterschiede der Konzentration sind für viele Fälle vollkommen
unbrauchbar. In solchen Fällen hat man sich dadurch helfen wollen. daß durch nachgeschaltete
Einbauten in Gestaut von Sieben, Rechen oder Kugelhaufwerken das erzeugte disperse
System nachträglich vergleichmäßigt wurde.
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Erfahrungsgemäß verlaufen solche nachträglichen Mischvorgänge sehr
langsam, da wirklich feine Gemische durch verhältnismäßig grobe Mischeinrichtungen
nicht zu erhalten sind, sondern nur durch die innere Turbulenz des Gases oder Dampfes
herbeigeführt werden können. Derartige Feinmischvorgänge erfordern daher verhältnismäßig
lange Mischzeiten, sehr große Geräte und lange Wegstrecken.
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Die Erfindung bezweckt, diese Nachteile zu vermeiden und bereits
bei der Erzeugung eines Gemisches von Flüssigkeitströpfchen und Gas oder Dampf für
möglichst hohe Gleichmäßigkeit der Konzentrationsverteilung Sorge zu tragen.
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Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß nach Abb. ç aus
dem gesamten Konzentrationsfeld von r=O bis r=rS nur ein mittlerer Teil bis zum
Halbmesser r2 zur Gemischbildung benutzt wird. in diesem Be reich fällt die Konzentration
nur um einen kleinen Betrag von A c2 von innen nach außen ab. Die Größenordnung
dieses noch auftretenden. Konzentrationsabfalls läßt sich durch Bemessung von r2
und des Zerstäubers beliebe klein halten, so daß rnan nach der Er. findung praktisch
mit vollkommen gleichmäßiger Konzentration über dem ganzen Querschnitt rechnen kann.
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Abb. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Gas oder
der Dampf treten durch die Leitung I in die Vorrichtung nach der Erfindung ein.
Aus einem Flüssigkeits behälter 2 wird durch die Pumpe 3 die für die Erzeugung des
Gemisches erforderliche Flüssigkeit angesaugt und dem Zerstäuber 5 durch die Leitung
4 zugeführt. Die Bauart des Zerstäubers S kann beliebig sein. Es kann sowohl ein
Druckzerstäuber als auch ein Fliehkraftzerstäuber verwendet werden.
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Im Gehäuse 6 wird die Flüssigkeit durch den Zerstäuber 5 fein zerstäubt,
so daß sich das Konzentrationsfeldrotationssymmetrisch um den Zerstäuber 5 aufbauen
kann. Gleichachsig zum Zerstäuber 5 wird erfindungsgemäß eine umlaufende Fangtrommel
7 angeordnet, deren Antrieb beispielsweise durch einen Zahnkranz 10 über ein Ritzel
9 und eine Welle 11 von einem Antriebsmotor 12 erfolgt.
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Die gestrichelten Linien deuten schematisch die Bahnen der vom Zerstäuber
5 abgeschleuderten Tropfen an. Diejenigen Tropfen, welche die umlaufende Fangtrommel
7 ereichen, werden am Umfang der Trommel abgeschieden. Die übrigen treten aus der
Trom melöffnung aus und werden von dem Gas-oder Dampfstrom mitgenommen. Die in der
Trommel abgeschiedenen Tropfen werden dort gesammelt und durch Öffnungen 8 nach
außen in das Gehäuse 6 abgeschleudert. Am Grunde des Gehäuses 6 sammelt sich die
ausgeschiedene Flüssigkeit bei 14 und fließt dann durch die Leitung 15 über ein
Schwimmerventil J6 oder eine ähnliche Einrichtung wie. der dem Flüssigkeitsbehälter
2 zu.
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Auf diese Weise wird gewissermaßen der Kern des Konzentrationsfeldes
des Zerstäubers 5 herausgeschnitten und zur Erzeugung
des Gemisches
von Gas oder Dampf und Flüssigkeitstropfen verwendet. Alle Tropfenbahnen, die innerhalb
des Bereiches der Bahnen a bis b liegen, werden ausgeschiedene Alle weiter innenliegende
Bahnen, so z. B. die Tropfenbahn c, werden dem Gemisch zugeführt, das durch die
Leitung 13 abgeführt wird.
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Da durch diese Maßnahmen bereits die Konzentration am Austritt aus
der Fangtrommel 7 praktisch vollkommen ausgeglichen sind, liefert die Vorrichtung
nach der Erfindung ohne zusätzliche Maßnahmen, z. B. Rechen-oder Siebeinbauten,
vollkommen gleichitn äßige Gemische. Infolge des Fortfalls aller zusätzlichen Einrichtungen
ist der Raum- und Platzbedarf der Einrichtung außerordentlich gering. Die möglichen
Platzeinsparungen gegenüber den bisher bekannten Einrichtungen zur Herstellung solcher
Gemische aus Gasen und Flüssigkeiten betragen bis zu 90%. Durch den raschen Umlauf
der Fangtrommel wird erreicht, daß die in der Trommel anfallende Flüssigkeit rasch
abgeschieden wird. Dies ist in vielen Fällen wichtig, damit nicht durch zu lange
Berührung der zurücklaufenden Flüssigkeit mit dem Gas oder Dampf eine Veränderung
der abgeschiedenen Flüssigkeit beispielsweise durch Einwirkung von Wärme oder durch
chemische Einflüsse stattfindet.
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Der Umlauf der Trommel ermöglicht es auch, die Vorrichtung in jeder
beliebigen Lage anzuordnen, ohne daß ein einwandfreies Abscheiden der Flüssigkeit
gefährdet ist. Da außerdem die meisten Flüssigkeiten bein Auftreffen auf feste Wände
zum Schäumen neigen und eine Schaumbildung den ordnungsgemäßen Ablauf vollkommen
verhindern kann, wird durch den Umlauf der Trommel dieser Schaum beseitigt; denn
unter der Einwirkung starker Fliehkräfte werden die Schaumblasen in der Trommel
zum Platzen gebracht.
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Außer der Vergleichmäßigung der Konzentration kann durch die Vorrichtung
nach der Erfindung auch die Zerstäubungsfeinheit der in dem erzeugten Gemisch enthaltenen
Tropfen gesteigert werden. Dies ist in solchen Fällen bedeutsam, bei denen zur Beschleunigung
bestimmter Reaktionen möglichst kleine Tropfen erwünscht sind.
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Die Verbesserung der Zerstäubungsfeinheit ist zwar grundsätzlich
durch Maßnahmen am Zerstäuber möglich, so z.B. durch Erhöhung des Zerstäubungsdruckes
bei Druckzerstäubern oder durch Erhöhung der Umfangsgeschwindigkeit bei Fliehkraftzerstäubern.
Jedoch ist diesen Möglichkeiten technisch und betrieblich eine Grenze gesetzt.
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Die Regeleigenschaften der Vorrichtung nach der Erfindung sind besonders
günstig.
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Abb. 2 zeigt schema,tische Regelkurven.
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Über der Vorlaufmenge Gv eines Zerstäubers - hier ist ein Druckzerstäuber
angenommen - ist die im Gemisch verbleibende Flüssigkeitsmenge Gg aufgetragen worden.
Es ergibt sich für Gg ein Kurvenverlauf mit dem Charakter einer Kurve 3. Grades,
die durch die Punkte 3 und 6 geht. Danach nimmt mit steigender Vorlaufmenge die
Menge der im Gemisch verbleibenden Flüssigkeit zu, ohne daß eine wesentliche Verkleinerung
der Tropfengröße eintritt. Die Durchschlagtiefe der Tropfen ist bei kleinen Vorlaufmengen
zunächst klein, so daß nahezu die gesamte zerstäubte Flüssigkeit im Gemisch bleibt
und die Kurve a2 fast linear ansteigt. Bei einer bestimmten Vorlaufmenge ergibt
sich jedoch ein Maximum für Qg. Bei weiterer Steigerung der Vorlaufmenge wird nun
die Menge der im Gemisch verbleibenden Flüssigkeit geringer, so daß mehr und mchr
Flüssigkeit die Trommel erreicht. Bei weiterer Steige rung der Vorlaufmenge wird
infolge der drucksteigerung an der Düse schließlich der Tropfendurchmesser kleiner,
so daß die Durch schlagstiefe der Tropfen abnimmt, wodurch die Menge im Gemisch
wieder ansteigt.
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Dieser Kurvenverlauf gestattet eine guto Regelung der Flüssigkeitsmenge
in Gemisch, wenn für die Regelung der steile Bereich der Kurve zwischen 3 und 6
benutzt wird. Auf diesem Teil der Kurve entsprechen große Änderungen der Menge im
Gemisch Gg kleinen Änderungen der Vorlaufmenge Gv und damit auch nur kleinen Druckänderungen.
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Bei der Vorrichtung nach der Erfindung ist daher nur eine'sehr kleine
Druckänderung notwendig, um die Menge im Gemisch in weiten Grenzen zu regeln.
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Durch diese besondere Eigenschaft der Vorrichtung nach der Erfindung
lassen sich große Regelbereiche mit nur einer einzigen Zerstäubungsdüse beherrschen.
Bei Verwendung von Druckzerstäubern hat man sich bisher dadurch geholfen, daß mehrere
parallel arbeitende Düsen vorgesehen wurden, die mit abnehmender Leistung nacheinander
abgeschaltet wurden. Von einer gleichmäßigen Verteilung der Konzentration kann bei
-der Anordnung von mehreren Düse, die nur teilweise arheiten, nicht gesprochen werden.
Die Verwendung einer einzigen Düse hat auch den Vorteil, daß infolge der dann größeren
Düsenquerschnitte die Düse weniger zum Verstopfen zeigt und somit betriebssicherer
ist.
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Erwähnt sei noch, daß der Antrieb der Fangtrommel 7 gegebenenfalls
auch durch die strömende Bewegung des Gases oder Dampfes erfolgen kann. Zweckmäßig
ist es ferner, die ganze Gas- bzw. Dampfmenge durch die Trommel strömen zu lassen.
Es sind jedoch auch Fälle denkbar, bei denen nur
ein Teil des Gases
odei Dampfes durch die Trommel geführt wird.
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Die aus der Trommel abgeschiedene Flüssigkeit wird entweder dem Zerstäuber
wieder zugeführt oder dem Kreislauf entzogen. Die Vorlaufmenge zum Zerstäuber muG
um den Betrag größer sein als die gewünschte Flüssigkeitsmenge im Gemisch, die der
aus der Trommel zurückgewonnenen Flüssigkeitsmenge entspricht.