ISBN 978-3-8439-3086-4

978-3-8439-3086-4, Reihe Verfahrenstechnik

Jens Kamplade
Untersuchung zum Sprühverhalten von Drall-Druckdüsen mit modifizierter Mündungsgeometrie

160 Seiten, Dissertation Technische Universität Dortmund (2016), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung des Sprühverhaltens von Drall-Druckdüsen, deren Mündung unbeabsichtigt oder willentlich verändert wurde. Diese Düsen finden in vielen technischen Prozessen sowie in der alltäglichen Handhabung Anwendung und zeichnen sich durch ihre einfache und flexible Konstruktion aus. In der Düse tritt je nach Betriebszustand eine hohe Relativgeschwindigkeit zwischen der Wand und der Flüssigkeit auf.

Bei der Herstellung von Milchpulver wird voreingedickte Milch in einer heißen Umgebung versprüht. Die Speise trägt Partikel, die von der schnellen Strömung getragen werden. Es kommt eine spezielle Ausführung der Drall-Druckdüsen für den Sprühprozess zum Einsatz. Im Rahmen der Untersuchungen wurde zunächst das Sprühverhalten mit Modellflüssigkeiten und anschließend mit resuspendiertem Milchpulver analysiert. Der wesentliche Teil zielt jedoch auf die Aufklärung von Inhomogenitäten im Sprühbild der Düsen ab. Diese stellen sich als Strähnen dar, die in Strömungsrichtung orientiert sind. Zur Quantifizierung wurde ein Messsystem basierend auf einem horizontalen Laserlichtschnitt durch das Sprüh entwickelt. Es zeigte sich ein Zusammenhang zwischen einer Beschädigung der Düsenmündung und dem Auftreten von Strähnen.

Im zweiten Teil der Arbeit wurde eine geometrische Variation zur Verkleinerung der Tropfengröße beim Sprühen mit erhöhter Viskosität erprobt. Ein größerer Sprühwinkel führt der Theorie des aerodynamischen Zerwellens nach zu einer kleineren Lamellenzahl und damit zu kleineren Tropfen. Messungen ergaben, dass ein trompetenförmiger Umlenkkörper an der Mündung der Drall-Druckdüse abhängig von der Geometrie und den Betriebsbedingungen zu der gewünschten Vergrößerung des Sprühwinkels führt. Es zeigt sich, dass hinsichtlich des Sprühwinkels zwei stabile Zustände existieren. Für einen niedrigen Druck kann die Lamellenumlenkung realisiert werden und der Sprühwinkel um etwa 50% erhöht werden. Für hohe Drücke hingegen stellt sich der natürliche Sprühwinkel der Düse ein. Der Übergang ist durch einen instabilen Betrieb gekennzeichnet. Der Sprühwinkel alterniert dabei zwischen beiden Zuständen. Bei Experimenten zum Mechanismus der Umlenkung zeigt sich ein Unterdruck auf der Oberfläche des überströmten Umlenkkörpers. Fotos zeigen, dass bei der Überströmung eine zusätzliche Störung auf die Lamelle wirkt. Für eine niedrige Viskosität führt diese Störung zu einem verfrühten Zerfall und damit zu größeren Tropfen im Vergleich zur scharfkantigen Mündung. Eine hohe Viskosität dämpft diese Störung und es kommt zur Ausdünnung der Lamelle und damit zu kleineren Tropfen.