DE3706694A1 - Zweistoff-zerstaeubungsduese zur erzeugung eines vollkegelstrahls - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zweistoff-Zerstäubungs­ düse nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Zweistoff-Zerstäubungsdüsen werden zwar überwiegend zur Kühlung von Gußerzeugnissen in Stranggießanlagen einge­ setzt, jedoch kommt durchaus auch eine Anwendung zu anderen Zwecken in Betracht.

Bei dem genannten Anwendungsgebiet in Stranggießanlagen kommt es auf eine möglichst gleichmäßige und intensive Kühlung der betreffenden Stranggußprodukte an. Eine Zweistoff-Kühlung (z. B. mittels eines Luft-Wasser-Gemisches) ist einer an sich ebenfalls denkbaren reinen Flüssigkeitskühlung überlegen, weil mit ersterer eine stärkere Kühlwirkung erzielbar ist. Die Gießstrangkühlung erfolgt in der Regel so, daß - je nach Breite des betreffenden Gießstranges - eine Mehrzahl von Düsen quer zur Bewegungsrichtung des Gießstranges nebenein­ ander angeordnet sind. Um die erforderliche Düsenanzahl zu verringern, sind Düsen mit möglichst großem Strahlwinkel (größer 45°) wünschenswert.

Bisher bekanntgeworden sind Zweistoff-Zerstäubungsdüsen, die zwar einen Vollstrahl mit großem Strahlwinkel zu erzeugen vermögen, bei denen der Strahl jedoch nicht als Vollkegel, sondern flach ausgebildet ist. Eine solche Zweistoff-Zerstäu­ bungsdüse zeigt zum Beispiel die PCT-A-WO 85/02132. Derartige Flachstrahlen sind aber für das in Rede stehende Anwendungs­ gebiet, Gießstrangkühlung, wenig geeignet, weil ihre Kühllei­ stung nicht gleichmäßig und nicht intensiv genug ist.

Bekannt ist ferner eine Zweistoff-Zerstäubungsdüse, bei der insgesamt ein Vollkegelstrahl dadurch erzeugt wird, daß mehrere Düsenöffnungen (z. B. eine Mittelöffnung und ein diese umgebender Ringspalt) vorgesehen sind. Dieses Konstruktionsprinzip führt zwangsläufig zu kleinen Austritts­ querschnitten und damit zu Verstopfungsempfindlichkeit der betreffenden Düsen.

Des weiteren ist eine Zweistoff-Zerstäubungsdüse bekannt­ geworden, die an sich eine Art Vollkegelstrahl mit großem Strahlwinkel zu erzeugen in der Lage ist. Der große Strahl­ winkel wird bei dieser bekannten Düse durch einen Führungs­ kegel erzeugt, der das Luft-Wasser-Gemisch als Hohlkegel ablenkt. Durch drei Bohrungen wird ein Teil des Wassers vom Kegelmantel zum Zentrum umgelenkt. Der wesentliche Nachteil dieser bekannten Konstruktion besteht darin, daß in der Mitte des Strahls große Tropfen entstehen, da nur Wasser und keine Luft umgelenkt wird. Die drei Bohrungen müssen sehr klein ausgeführt werden. Hierdurch erhöht sich aber wesentlich die Verstopfungsgefahr bei Schmutzwasser, und es kommt - im Falle einer Verstopfung der Bohrungen - nur noch zu einer (unerwünschten) Hohlkegelzerstäubung.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Zweistoff-Zerstäubungsdüse der eingangs bezeichneten Art zu schaffen, die sich durch einen großen Strahlwinkel, eine gleichmäßige Flüssigkeitsver­ teilung, große Strömungsquerschnitte und - infolge davon - eine weitestgehende Verstopfungsunempfindlichkeit auszeichnet.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch die im kennzeichnen­ den Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Die Erfindung ermöglicht vorteilhaft die Erzeugung eines wirklichen Vollkegelstrahls mit Strahlwinkel von über 45°. Die Flüssigkeitsverteilung des Vollkegels ist beeinflußbar durch die Düsengeometrie (ebene Flüssigkeitsverteilung). Die erfindungsgemäße Düse besitzt große Strömungsquerschnitte im Vergleich zu den oben beschriebenen bekannten Düsen und ist dadurch nahezu unempfindlich gegenüber Verstopfungen durch Schmutzwasser.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden.

Zur Veranschaulichung der Erfindung dienen Ausführungsbeispie­ le, die in der Zeichnung dargestellt und nachstehend beschrie­ ben sind. Es zeigt

Fig. 1 eine Ausführungsform einer Zweistoff-Zerstäubungs­ düse, zur Hälfte in Ansicht und zur Hälfte im vertikalen Längsschnitt (Schnitt I-I in Fig. 2),

Fig. 2 den Gegenstand von Fig. 1 in Querschnittsdarstel­ lung (Schnitt II-II in Fig. 1),

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie III-III in Fig. 1, in gegenüber Fig. 1 und 2 vergrößerter Darstel­ lung,

Fig. 4 die Einzelheit "A" aus Fig. 1, in gegenüber Fig. 1 vergrößerter Darstellung,

Fig. 5 eine andere Ausführungsform einer Zweistoff-Zer­ stäubungsdüse, im vertikalen Längsschnitt (Schnitt V-V in Fig. 6), und

Fig. 6 die Düse nach Fig. 5, in Querschnittsdarstellung (Schnitt VI-VI in Fig. 5).

In Fig. 1 bis 4 bezeichnet 10 einen Düsenkörper einer Zweistoff- Zerstäubungsdüse. Der Düsenkörper 10 ist quaderförmig ausgebil­ det und besitzt einen (mit Bezug auf Fig. 1) vertikal gerichte­ ten ersten Kanal 11, der an seinem oberen Ende durch eine Schraube 12 verschlossen ist. Aus Fig. 2 ist entnehmbar, daß in den ersten Kanal 11 - rechtwinklig zu diesem und rechtwinklig zueinander - zwei weitere Kanäle 13 und 14 einmünden. Hierbei dient der Kanal 13 (im folgenden als "zweiter Kanal" bezeichnet) zur Zuführung eines flüssigen Mediums, z. B. Wasser, und der Kanal 14 (im folgenden als "dritter Kanal" bezeichnet) zur Zuführung eines gasförmigen Mediums, z. B. Luft.

Wie aus Fig. 1 und insbesondere auch aus der vergrößerten Darstellung der Fig. 4 hervorgeht, ist der erste Kanal 11 als sogenannte Sacklochbohrung ausgebildet, d. h. er ist an seinem in Fig. 1 und 4 unteren Ende durch eine Boden 15 abgeschlossen. Der Boden 15 bildet einen Prallboden für das innerhalb des ersten Kanals 11 vorgemischte und in Pfeil­ richtung 16 zu dem insgesamt mit 17 bezifferten Düsenaustritt transportierte Gas-Flüssigkeits-Gemisch. Die Zeichnung, insbesondere Fig. 2 und 3, läßt weiterhin erkennen, daß unmittelbar oberhalb des Prallbodens 15 drei radiale Einfräsun­ gen 18, 19 und 20 vorgesehen sind, durch die das Gas-Flüssig­ keits-Gemisch - wie in Fig. 4 angedeutet - aus dem ersten Kanal 11 heraus ins Freie gelangen kann.

Fig. 1, 3 und 4 machen des weiteren deutlich, daß der Düsenkör­ per 10 im Bereich des Düsenaustritts 17 koaxial zum ersten Kanal 11 eine bei 21 und 22 zapfenförmig abgesetzte zylindri­ sche Verjüngung 23 aufweist. Die zylindrische Verjüngung 23 besitzt ein Außengewinde 24, auf das eine außen sechskant­ förmig ausgebildete, insgesamt mit 25 bezifferte Umlenkhaube aufgeschraubt ist. Zusammen mit der zylindrischen Verjüngung 23 des Düsenkörpers 10 bildet die Umlenkhaube 25 in ihrem Inneren einen Ringkanal 26 und - in axialer Fortsetzung dazu - den bereits erwähnten, ebenfalls ringkanalförmig ausgebildeten Düsenaustritt 17. Der Ringkanal 26 ist über die radialen Einfräsungen 18, 19, 20, welche demgemäß als Verbindungsöffnungen fungieren, mit dem ersten Kanal 11 verbunden derart, daß das Gas-Flüssigkeits-Gemisch aus dem ersten Kanal 11 über die Verbindungsöffnungen 18 bis 20 in den Ringkanal 26 und von dort über den Düsenaustritt 17 ins Freie gelangen kann. Während der Ringkanal 26 eine zylindrische Außenbegrenzung 27 besitzt, ist der ringkanal­ förmige Düsenaustritt 17 in Strömungsrichtung 16 erweitert ausgebildet und weist zu diesem Zweck eine konische Außen­ begrenzung 28 auf (siehe Fig. 1 und 4).

Die im Vorstehenden beschriebenen Zweistoff-Zerstäubungsdüse arbeitet nun wie folgt. Bei der Einleitung von Wasser durch den zweiten Kanal 13 und Luft durch den dritten Kanal 14 in den ersten Kanal 11 erfolgt dort aufgrund der rechtwinklig zueinander stehenden Zuführungsrichtungen der beiden Medien eine Vormischung derselben. Das Luft-Wasser-Gemisch strömt dabei entlang des ersten Kanals 11 in Pfeilrichtung 16, bis es auf den Prallboden 15 auftrifft. Der Prallboden 15 ist in dem aus Fig. 1 bis 4 ersichtlichen Ausführungsbeispiel ebenflächig ausgebildet. Er kann aber - je nach gewünschter Flüssigkeitsverteilung - auch kugelig oder kegelig vertieft ausgeführt sein. Am Prallboden 15 erfolgt eine Umlenkung des Gemisches in Richtung radial nach außen, wobei es - wie in Fig. 4 angedeutet - durch die als Verbindungsöffnungen fungierenden Einfräsungen 18, 19, 20 in den zylindrischen Ringkanal 26 und gleichzeitig bzw. anschließend in den konisch/- ringkanalförmigen Düsenaustritt 17 gelangt, von wo es als fein zerstäubter Vollkegelstrahl ins Freie tritt. Durch die mehrmalige Umlenkung am Prallboden 15 und innerhalb der Umlenkhaube 25 findet die vollständige bzw. endgültige Vermischung des bisher im ersten Kanal 11 vorgemischten Luft-Wasser-Gemischs statt, wodurch der angestrebte Vollkegel­ strahl ermöglicht wird.

Bei der Zweistoff-Zerstäubungsdüse nach Fig. 5 und 6 sind die der Ausführungsform nach Fig. 1 bis 4 entsprechenden Teile der Übersichtlichkeit halber mit gleichen Bezugszeichen versehen, die jedoch zur Unterscheidung gegenüber der Ausfüh­ rungsform nach Fig. 1 bis 4 durch den Buchstaben a ergänzt sind.

Nach Fig. 5 und 6 ist nun - im Unterschied zur Ausführungsform nach Fig. 1 bis 4 - der erste Kanal 11 a als durchgehende Bohrung ausgeführt, und der Prallboden 36 wird durch ein als Separatteil im Düsenkörper 10 a angeordnetes Zapfenteil 30 gebildet. Das Zapfenteil 30 ist hierbei durch ein auf einem Absatz 29 des ersten Kanals 11 a angeordnetes Befestigungs­ teil 15 a fixiert. Zur Befestigung dienen zwei Muttern 31, 32. Wie weiterhin aus Fig. 5 ersichtlich ist, ist das Zapfenteil 30 an seinem düsenaustrittsseitigen Ende 33 tellerförmig er­ weitert ausgestaltet und bildet dort den Prallboden 36, der demgemäß eine radiusförmig gekrümmte Oberfläche aufweist.

Alternativ zu der aus Fig. 5 ersichtlichen Ausführung des Prallbodens 36 ist es aber auch denkbar, dessen Oberfläche ebenflächig auszubilden und rechtwinklig zur Düsenlängs­ achse (etwa wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1 bis 4) auszurichten. Auch eine schräg/konische Ausbildung der Oberfläche des Prallbodens 36 ist möglich.

Entsprechende Alternativ-Ausgestaltungen des Prallbodens sind auch bei Ausführungsform nach Fig. 1 bis 4 denkbar.

Bei der Variante nach Fig. 5 und 6 wird die außenseitige Begrenzung von Ringkanal 26 a und Düsenaustritt 17 a - ähnlich wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1 bis 4 - durch ent­ sprechende Innenwandungen 27 a bzw. 28 a einer Umlenkhaube 25 a vorgenommen, die auf ein Gewinde 24 a einer zapfenförmig abgesetzten Verjüngung 23 a des Düsenkörpers 10 a aufgeschraubt ist.

Eine weitere Besonderheit der Zweistoff-Zerstäubungsdüse nach Fig. 5 und 6 besteht darin, daß das Zapfenteil 30 ober­ halb seiner tellerförmigen Erweiterung einen kleineren Durch­ messer als der erste Kanal 11 a besitzt und daß ein sich hier­ durch zwischen Zapfenteil 30 und Wandung des ersten Kanals 11 a ergebender Ringspalt 34 als Verbindungsöffnung vom Befestigungs­ teil 15 a zum Ringkanal 26 a bzw. zum Düsenaustritt 17 a dient. Am unteren Ende der zapfenförmig abgesetzten Verjüngung 23 a geht der erste Kanal 11 a in eine abgerundete Erweiterung 35 über, die der Abrundung des Prallbodens 36 entspricht. In seiner aus Fig. 5 ersichtlichen Lage innerhalb des Düsenkör­ pers 10 a wird das Zapfenteil 30 durch einen in Fig. 5 schema­ tisch angedeuteten und mit 37 bezeichneten Abstandshalter fixiert, der axiale Durchtrittsöffnungen 38 für das in Pfeil­ richtung 16 a strömende Luft-Wasser-Gemisch besitzt.

Die Zweistoff-Zerstäubungsdüse nach Fig. 5 und 6 besitzt gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 1 bis 4 noch eine weitere Besonderheit, auf die hier hingewiesen werden soll. Das Befestigungsteil 15 a ist nämlich in Draufsicht bzw. im Quer­ schnitt gesehen als gleichseitiges Dreieck ausgebildet, wo­ bei die Ecken entsprechend dem Radius des ersten Kanals 11 a abgerundet sind und an diesem anliegen. Als Verbindungs­ öffnungen für das Luft-Wasser-Gemisch vom Befestigungsteil 15 a zum Ringspalt 34 und damit auch zum Ringkanal 26 a und zum Düsenaustritt 17 a dienen sich zwischen den "Dreiecksseiten" des Befestigungsteils 15 a und der Wandung des ersten Kanals 11 a ergebende bogen- bzw. sekantenförmige Ausnehmungen, die in Fig. 6 mit 18 a, 19 a und 20 a beziffert sind.

Hinsichtlich ihrer Arbeitsweise entspricht die Zweistoff-Zer­ stäubungsdüse nach Fig. 5 und 6 im wesentlichen derjenigen der Ausführungsform nach Fig. 1 bis 4, so daß sich hier noch­ malige ins Detail gehende Erörterungen erübrigen. Zu er­ wähnen ist indessen och eine sowohl bei der Zweistoff-Zer­ stäubungsdüse nach Fig. 1 bis 4 wie auch für die Ausführungs­ form nach Fig. 5 bis 6 zum Tragen kommende Besonderheit. Diese besteht darin, daß die Umlenkhaube 25 bzw. 26 aufgrund ihrer Verschraubung mit der zylindrischen Verjüngung 23 bzw. 23 a des Düsenkörpers 10 bzw. 10 a gegenüber letzterem in Axialrichtung stufenlos verstellbar ist. Hierdurch läßt sich vorteilhafterweise der Strahlwinkel des aus der Düse austretenden Vollkegelstrahls stufenlos von ca. 45° bis ca. 120° variieren.

Alternativ zu der in der Zeichnung dargestellten Verschraubung der Umlenkhaube 25, 25 a mit dem Düsenkörper 10, 10 a läßt sich aber auch eine Befestigung der Umlenkhaube (25, 25 a) durch eine Rasterung denken, die in bestimmten axialen Abstän­ den am Düsenkörper (10, 10 a) bzw. an dessen zylindrischer Verjüngung (23, 23 a) vorzusehen wäre. Hierdurch wäre eine stufenförmige Verstellbarkeit der Umlenkhaube (25, 25 a) gegenüber dem Düsenkörper (10, 10 a) und damit eine entsprechend stufenförmige Variierung des Vollkegel-Strahlwinkels realisier­ bar.

Claims (14)

1. Zweistoff-Zerstäubungsdüse zur Erzeugung eines Vollkegel­ strahls, der einen Strahlwinkel von größer als 45° aufweist, insbesondere zur Kühlung von Gußerzeugnissen in Stranggießanlagen, z. B. von Knüppeln, Vorblöcken und Schmalseiten von Breitbändern, mit einem Düsenkörper, der einen koaxial zum Düsenaustritt verlaufenden ersten Kanal besitzt, dem ein gasförmiges Medium (z. B. Luft) und ein flüssiges Medium (z. B. Wasser) zugeführt wird, wobei zur Zuführung des flüssigen Mediums ein rechtwinklig zum ersten Kanal angeordneter und in diesen einmündender zweiter Kanal dient, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zuführung des gasförmi­ gen Mediums im Düsenkörper (10, 10 a) ein dritter Kanal (14, 14 a) vorgesehen ist, der auf der Höhe des zweiten Kanals (13, 13 a) in den ersten Kanal (11, 11 a) einmündet und sowohl zum ersten Kanal (11, 11 a) wie auch zum zweiten Kanal (13, 13 a) rechtwinklig oder im wesentlichen rechtwinklig verläuft, und daß im ersten Kanal (11, 11 a) für das dort vorgemischte Zweistoffgemisch ein Prallboden (15, 36) angeordnet ist, der Verbindungs­ öffnungen (18, 19, 20) zu einem dem Düsenaustritt (17, 17 a) koaxial vorgeschalteten und in diesen in Strömungs­ richtung (16) axial übergehenden Ringkanal (26, 26 a) auf­ weist, und daß der Düsenaustritt (17, 17 a) ebenfalls ring­ kanalförmig, jedoch mit sich erweiternder, vorzugsweise konischer Außenbegrenzung (28, 28 a), ausgebildet ist.

2. Zweistoff-Zerstäubungsdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kanal (11) als Sacklochbohrung ausgebildet ist und als Prallboden der Boden (15) der Sacklochbohrung dient (Fig. 1 bis 4).

3. Zweistoff-Zerstäubungsdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des Prallbodens (15) seitliche Einfräsungen (18, 19, 20) im Düsenkörper (10) vorgesehen sind, die radial in den ersten Kanal (11) einmünden und als Verbindungsöffnungen zu dem Ringkanal (26) dienen (Fig. 1 bis 4).

4. Zweistoff-Zerstäubungsdüse nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenkörper (10) im Bereich des Düsenaustritts (17) koaxial zum ersten Kanal (11) eine (bei 21 und 22) zapfenförmig abgesetzte zylindrische Verjüngung (23) aufweist, die an ihrem Ende zugleich die innere Begrenzung des ringkanalförmigen Düsenaustritts (17) bildet (Fig. 1 bis 4).

5. Zweistoff-Zerstäubungsdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kanal (11 a) als durchgehende Bohrung und der Prallboden (36) als in den ersten Kanal (11 a) eingesetztes Separatteil (Zapfen­ teil (30) ausgebildet ist (Fig. 5 und 6).

6. Zweistoffzerstäubungsdüse nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Prallboden (15, 36) eine ebene oder im wesentlichen ebene, im rechten Winkel zur Düsenachse gerichtete Oberfläche besitzt (Fig. 1-4).

7. Zweistoff-Zerstäubungsdüse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Prallboden (15, 36) eine radiusförmig gekrümmte Oberfläche aufweist (Fig. 5 und 6).

8. Zweistoff-Zerstäubungsdüse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Prallboden (15, 36) eine schräg/konische Oberfläche besitzt.

9. Zweistoff-Zerstäubungsdüse nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das den Prallboden (36) bildende Zapfenteil (30) im ersten Kanal (11 a) durch ein auf einem Absatz (29) angeordnetes Befestigungsteil (15 a) fixiert ist, welches Aussparungen (18 a, 19 a, 20 a) für den Durchtritt der Medien aufweist (Fig. 5 und 6).

10. Zweistoff-Zerstäubungsdüse nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 und 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Zapfenteil (30) an seinem düsenaustrittsseitigen Ende (33) tellerförmig erweitert ausgestaltet ist und dort den Prallboden (36) sowie die innere Begrenzung des Ringkanals (26 a) und des sich axial an diesen anschließenden ringkanalförmigen Düsenaustritts (17 a) bildet.

11. Zweistoff-Zerstäubungsdüse nach den Ansprüchen 1 und 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Zapfenteil (30) oberhalb seiner tellerförmigen Erweiterung (33) einen kleineren Durchmesser als der erste Kanal (11 a) besitzt und daß ein sich hierdurch zwischen Zapfenteil (30) und Wandung des ersten Kanals (11 a) ergebender Ringspalt (34) als Verbindungsöffnung vom Befestigungsteil (15 a) zum Ring­ kanal (26 a) bzw. zum Düsenaustritt (17 a) dient.

12. Zweistoff-Zerstäubungsdüse nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Befestigungsteil (15 a) in Draufsicht bzw. im Querschnitt als gleichmäßiges Vieleck, vorzugsweise dreieckförmig, ausgebildet ist, wobei die Ecken entsprechend dem Radius des ersten Kanals (11 a) abgerundet sind und an diesem anliegen.

13. Zweistoff-Zerstäubungsdüse nach einem oder mehreren, der Ansprüche 1 bis 3 und 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß Düsenkörper (10, 10 a) an seinem düsenaustrittsseitigen Ende koaxial zum ersten Kanal (11, 11 a) eine zapfenförmig abgesetzte zylindrische Verjüngung (23, 23 a) aufweist, auf der eine jeweils die äußere Begrenzung (27, 27 a bzw. 28, 28 a) des Ring­ kanals (26, 26 a) und des sich axial an diesen anschließen­ den ringkanalförmigen Düsenaustritts (17, 17 a) bildende Um­ lenkhaube (25, 25 a) in Axialrichtung verstellbar angeord­ net ist.

14. Zweistoff-Zerstäubungsdüse nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische Verjüngung (23, 23 a) ein Außengewinde (24, 24 a) besitzt, auf das die ein entsprechendes Innengewinde aufweisende Umlenkhau­ be (25, 25 a) aufgeschraubt ist.