Experimentelle Analyse von industriellen Sprühdüsen

Abstract

Die Eindüsung von Schweröl in einen Hochofen wurde an einem Versuchsstand im Technikumsmaßstab untersucht. Mit der Methode der Dimensionsanalyse entwickelte Kennzahlen, dienten dabei der Übertragung geometrischer und physikalischer Ähnlichkeiten.Experimentelle Analysen zum Verhalten der Sprüheigenschaften zweier unterschiedlicher Düsenmündungen wurden durchgeführt. Bei beiden Düsen handelt es sich um sogenannte Zweistoff-Düsen, die zusätzlich von einem mit Luft gespülten Mantelrohr umhüllt sind. Ihre Mündungen unterscheiden sich durch die Anzahl der Austrittsöffnungen und den primären Austrittswinkel des Fluides. Paraffinöl wurde unter einem definierten Winkel zu einem aus der Umgebung angesaugten Hochgeschwindigkeits-Luftstrom, in ein Rohr eingebracht und dort zerstäubt. Der stromabwärts angesetzte, transparente Kunststoff-Kanal ermöglichte die Beobachtung und Messung des so entstandenen Sprühnebels mittels Particle Image Velocimetry, Laser Doppler Anemometry und High Speed Bildaufzeichnung. Wesentliche Parameter der Zerstäubung wurden für beide Öllanzen variiert: Geschwindigkeit der angesaugten Umgebungsluft, der Volumenstrom und die Viskosität des verwendeten Öls, sowie der Mantelstrom der beiden Lanzen. Der Einfluss auf den Aufweitungswinkel des Strahles und die Geschwindigkeit der entstehenden Tröpfchen konnte quantitativ bewertet werden. Insbesondere das Verhalten des Sprühs bei den unterschiedlichen Düsengeometrien brachte neue Erkenntnisse, welche bei weiteren Arbeiten genauer untersucht werden sollten. Trotz eines größeren primären Austrittswinkels der Flüssigkeit, ist der Öffnungswinkel des entstehenden Sprühnebels bei einer Mehrloch-Düse geringer, als bei einer Einloch-Düse. Eine Methode zur Abschätzung des Sauterdurchmessers für den Sprühnebel, in Form eines dimensionslosen Zusammenhangs, wird vorgeschlagen. Die darin enthaltenen strömungsmechanischen und geometrischen Einflussfaktoren spiegeln die komplexe Situation der Tropfenbildung bei diesem Düsentyp wider. Zur Beschreibung der Tropfengrößenverteilungen, mit wenigen charakteristischen Parametern, wurden die Verteilungsfunktionen Rosin-Rammler, Upper-Limit und Nukiyama-Tanasawa untersucht. Die beiden letztgenannten Funktionen erwiesen sich dabei als besonders geeignet die erzeugten Tropfenspektren zu beschreiben.

To investigate the phenomenon of atomization of liquid residual fuels, as found in the heavy fuel oil injection into a blast furnace, a cold model test rig was constructed.Two different nozzles, both of them part of a twin fluid atomizer, were used to investigate the behavior of the generated sprays. They differ in number and angle of their orifices. Liquid paraffin oil was used as a model fluid. It was fed into a high-speed airstream under a certain angle and subsequently atomized. Similar to the blast furnace application these atomizers were encapsulated with a coaxial pipe containing some sort of gas flow as a means of protection against the hot air-blast. Downstream the mixing point of the fluids a transparent, rectangular channel provided good accessibility for different measurement methods such as Particle Image Velocimetry, Laser Doppler Anemometry and high-speed imaging. The most dominant factors of this atomization process were subject to variations to investigate the behavior of the spray. Air velocity, viscosity and velocity of the oil as well as the gas flow through the coating of the oil lance were varied. Unexpected knowledge was gained concerning the characteristics of the produced sprays from the two studied nozzels. Though the oil leaves the multiple orifices nozzle under a major angle the the angle of the produced spray is significantly narrower compared to the single orifice nozzle. A proposal to estimate the Sauter mean diameter was made consisting of the most important factors governing the process of atomization. The fit of the three different distribution functions Rosin-Rammler, Upper-Limit and Nukiyama-Tanasawa to the measured drop size distributions was evaluated. Upper-Limit and Nukiyama-Tanasawa turned out to be superior to Rosin-Rammler for this kind of atomization.