Coanda-Umlenkung am Austritt von Hohlkegeldüsen
Final Report Abstract
In der vorliegenden Arbeit wurde das Umlenkverhalten von Hohlkegeldüsen mit einem trompetenförmigen Austritt untersucht, die für Anwendungen eingesetzt werden, bei denen möglichst große Sprühwinkel erwünscht sind. Durch Sprühwinkelmessungen an einer Vielzahl an Düsengeometrien und einer variablen Flüssigkeitsviskosität konnten die Ablösegrenzen der Lamelle vom Umlenkkörper quantitativ erfasst und strömungsmechanisch erklärt werden. Die Umlenkung ist hauptsächlich auf den Coanda-Effekt zurückzuführen. Der Rotationsanteil auf Grund des Strömungsprofils in der Grenzschicht hat bei hohen Flüssigkeitsviskositäten einen merklichen, jedoch bei hohen Reynolds-Zahlen nur geringen Einfluss. Der „Tea-Pot“ oder Benetzungseffekt ist dagegen auf Grund der hohen Fluidgeschwindigkeiten bei Einstoffdüsen praktisch vernachlässigbar und damit das Material der Düse einerlei. Die Versuche in einem Druckbehälter haben ergeben, dass ein erhöhter Absolutdruck der Gasumgebung bei gleicher Druckdifferenz eher zur Ablösung mit einer geringeren Umlenkung führt. Anhand der Messdatensätze wurde eine Beziehung zur Voraussage des Betriebsverhaltens bzw. des Sprühwinkels entwickelt und damit die technische Gestaltung solcher Düsen erleichtert. Eine effektive Umlenkung der Lamelle für größere Sprühwinkel wird bei einem Gesamtdruck der Strömung der deutlich über dem Umgebungsdruck liegt und bei hohen Rep-Zahlen dann erreicht, wenn der Krümmungsradius am Umlenkkörper groß genug ist. Hohe Flüssigkeitsgeschwindigkeiten und hohe Oberflächenrauigkeiten des Düsenmaterials führen zu einer vorzeitigen Ablösung der Lamelle. Die Lamellenumlenkung wird erleichtert, wenn der Ausgangssprühwinkel bereits groß ist, der durch die Basisgeometrie der Düse bzw. das Drallverhältnis vorgegeben wird. Der Umlenkradius der Trompetenöffnung soll aber auch groß genug sein, um ein vorzeitiges Ablösen der Lamelle vom Umlenkkörper zu vermeiden. Geschwindigkeitsmessungen haben gezeigt, dass die Abbremsung der Lamelle am Umlenkkörper erheblich ist. Die Abbremsung kompensiert bei niederviskosen Flüssigkeiten den positiven Effekt des drastisch vergrößerten Sprühwinkels in Bezug auf die Erzeugung möglichst feiner Tropfen. Tropfengrößenmessungen haben ergeben, dass die mittlere Tropfengröße trotz größeren Sprühwinkels im Vergleich zu Düsen mit scharfkantigem Austritt bei gleichem ∆p praktisch gleich bleibt. Demnach eignen sich Coanda-Düsen im untersuchten Bereich Rep > 30.000 nicht dazu, die mittlere Tropfengröße zu verkleinern. Jedoch führt die Abbremsung bei hinreichenden Umlenkradien offensichtlich zu einer Laminarisierung der Lamellenströmung, wodurch die Breite der Tropfengrößenverteilung leicht abnimmt. Das Hauptmerkmal von Coanda-Düsen ist deshalb die Vergrößerung des Sprühwinkels für Anwendungen mit ausgeprägter Sprayausbreitung.
Publications
- Hohlkegeldüsen mit Coanda-Austrittsöffnungen, Proc. SPRAY 2012, TU-Berlin, Mai 21-22, 2012
E. Musemic, P. Walzel
- Improving Swirl Atomizer Performance with Coanda- Deflection Outlets, Proc. of the 12th Int. Conf. on Liquid Atomization and Spray Sys tems (ICLASS), Heidelberg, September 2-6, 2012
E. Musemic, P. Walzel
- Investigation on Pressure Swirl Nozzles with Coandă Deflection Outlets, Proc. of the 25th European Conf. on Liquid Atomization and Spray Systems (ILASS), Chania, Greece, 1-4 September, 2013
J. Kamplade, E. Musemic, P. Walzel
