Spraycharakterisierung von rücklaufgeregelten Dralldruckdüsen mit hohen Zerstäubungsdurchsätzen

Abstract

Die Art der Zerstäubung einer Flüssigkeit ist entscheidend für die Effizienz vieler verfah-renstechnischer Anwendungen, wie z.B. die Verbrennung von Heizöl oder die Rauchgas-reinigung durch Ammoniak. Eine Charakterisierung der Zerstäubung durch Rücklaufdü-sen, hilft die Gesamtprozesse zu verbessern und dadurch die Emission von Schadstoffen, wie Stickoxiden, zu vermeiden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Hydraulik und die Eigenschaften des Sprays von rücklaufgeregelten Dralldruckdüsen, in einem industriell genutzten Arbeitsbereich mit Vorlaufdrücken zwischen 23 - 30 bar und Durchsätzen von 300 - 1000 l/h umfangreich untersucht. Dabei sind die Effekte auf die Sprayeigenschaf-ten, wie Spraywinkel, Primärzerfall, Massenbeaufschlagungsdichte, Spraymuster sowie die Verteilungen der Tropfengrößen und Geschwindigkeiten betrachtet worden. Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit dem Einfluss des Austrittswinkels, der Aus-trittsform und der Austrittsöffnung auf die Hydraulik und die Sprayeigenschaften der Rücklaufdüsen. Zur Realisierung der Erfassung der Düsenhydraulik wurde eine neue Versuchsanlage ent-wickelt. Für die Messung der Sprayeigenschaften folgte die Applikation von Messtechnik für Hochgeschwindigkeits-Visualisierungen, Patternatormessungen und der Phasen-Doppler-Anemometrie. Die Bestimmung der Massenbeaufschlagungsdichte erforderte im Rahmen der Untersuchungen die Entwicklung eines neuen Patternator, der eine zu-friedenstellende Messgenauigkeit bei den vorliegenden hohen Durchsätzen bis 1000 l/h gewährleistete. Die qualitative Darstellung der umfangreichen Daten zur Beschreibung der Tropfeneigenschaften erfolgte mittels einer Gewichtung der radialen Tropfendaten mit der lokalen Massenbeaufschlagungsdichte über eine axiale Ebene. Die damit vorhan-denen Daten sind anschließend mittels der statistischen Versuchsauswertung aufbereitet worden. Die vorgestellten Ergebnisse erlauben erste Schlussfolgerungen für Optimierungsansätze der Geometrie der Rücklaufdüse für eine Erhöhung der Zerstäubungsqualität. Ebenfalls sind Anpassung der Sprayeigenschaften auf die verschiedenen Anwendungen in der In-dustrie durchführbar. Die umfangreiche Datenbasis dieser Arbeit stellt ebenfalls eine Grundlage zur numerischen Untersuchung der Hydraulik, der Zerstäubung sowie für die internen Strömungen innerhalb der Düse dar.

The type of atomization of a liquid is critical to the efficiency of many commercial appli-cations, such as e.g., the combustion of fuel oil or the flue gas cleaning by ammonia. Characterization of the atomization by return nozzles helps to improve the overall process and thereby reduce the emission of pollutants. Within the scope of this work, the hydrau-lics and properties of the spray were extensively studied by return-controlled swirl noz-zles in an industrial working area with flow pressures between 23 to 30 bar and through-puts of 300 to 1000 l/h. In this case, the respective effects on the spray properties spray angle, primary decay, mass flux or spray pattern and the droplet size and velocity distri-butions have been determined. The second part of the study deals with the influence of the outlet angle or the outlet shape and the outlet opening on the hydraulics and the spray properties of the return nozzles. To realize this project, a new test facility was built, with which the hydraulics of the nozzles could be detected. The measurement of the spray properties was followed by the application of measurement technology for high-speed visualization, patternator meas-urements and phase-doppler anemometry. In the context of this work, a new patternator had to be developed for the determination of the local mass flux in the spray, which en-sured a satisfactory measuring accuracy at the high flow rates up to 1000 l/h. For a qual-itative presentation of the extensive data for describing the droplet properties, a weighting of the radial droplet data with the local mass flux was carried out over an axial plane. For a clear presentation of the results, the extensive data was processed by using the statistical test evaluation. The results obtained in this work provide initial conclusions for optimization of the ge-ometry of the return nozzle for increasing the atomization quality and adapting the spray properties to the various applications in the industry. Furthermore, the simulation of the hydraulics, the atomization and the internal flows of the spill return nozzles can be eval-uated by the extensive database.