Flüssigkeit, die eine Düse verlässt, bleibt zunächst eine Lamelle oder ein Strahl, wird dann instabil und zerfällt (Primärzerstäubung); die dabei entstehenden groben Tropfen werden von aerodynamischen Kräften weiter zerteilt (Sekundärzerstäubung).
Das Ergebnis ist kein einzelner Durchmesser, sondern eine Verteilung — und der Erfolg der Anwendung hängt von der Form dieser Verteilung ab.
Warum die Verteilung zählt
- Die Verdunstung skaliert mit der Oberfläche; kleine Tropfen verdunsten schnell, grobe erreichen das Ziel noch nass [1].
- Die Eindringtiefe skaliert mit der Masse; sehr kleine Tropfen werden fortgetragen, bevor sie das Ziel erreichen.
- Die Abdrift ist ein Problem der kleinen Tropfen: Sie erzeugt Umweltauflagen beim Pflanzenschutzspritzen und an Kühltürmen.
Diese drei Anforderungen stehen im Widerspruch; die Auslegung sucht ein enges Optimum. Eine mit einem einzigen mittleren Durchmesser gerechnete Analyse kann diesen Widerspruch überhaupt nicht sehen.
Düsenbauarten
Drall-Druckdüse (Simplex). Der Flüssigkeit wird Drall gegeben, um einen feinen Kegel zu bilden. Einfach und verbreitet; die Zerstäubungsqualität verschlechtert sich jedoch rasch, wenn der Durchsatz sinkt — der Stellbereich ist schmal.
Luftunterstützte Zweistoffdüse. Luft hoher Geschwindigkeit zerteilt die Flüssigkeit. Sie liefert über einen weiten Lastbereich eine gute Zerstäubung; der Preis ist der Druckluftverbrauch.
Flachstrahl und Fächerstrahl. Für Beschichtungsanwendungen, bei denen die Qualität des Sprühbildes entscheidend ist.
Modellierung
Die Primärzerstäubung unmittelbar aufzulösen ist teuer und für die meisten industriellen Probleme unnötig. Der praktische Weg ist, am Düsenaustritt eine gemessene Größenverteilung vorzugeben und die Tropfen als diskrete Phase zu verfolgen. Siehe die Notiz zur Mehrphasenströmung.
Worauf zu achten ist:
- Der Widerstandsbeiwert muss als Funktion der Reynolds-Zahl berechnet werden [2].
- Die Tropfen-Wand-Wechselwirkung muss definiert werden: haften, spritzen, einen Film bilden. Die Voreinstellung „haftet" führt bei Beschichtungs- und Kühlproblemen in die Irre.
- Ein verdunstender Tropfen ist zugleich eine Stoff- und eine latente Wärmequelle; beide verändern die Gasphase.
Referenzen
- Ranz, W. E. & Marshall, W. R. (1952). Evaporation from drops. Chemical Engineering Progress, 48, 141–146 (Part I) and 173–180 (Part II).
- Morsi, S. A. & Alexander, A. J. (1972). An investigation of particle trajectories in two-phase flow systems. Journal of Fluid Mechanics, 55(2), 193–208. DOI: 10.1017/S0022112072001806