Zerstäubung überhitzter Flüssigkeiten

Das Zerstäuben von Flüssigkeiten und Suspensionen ist ein grundlegender Verfahrensschritt in zahlreichen technischen Anwendungen. So werden Sprays einerseits zum Konditionieren von Gasräumen (Kühlen, Trocknen, Befeuchten) sowie zur Behandlung von Oberflächen (Reinigen, Beschichten) appliziert. Andererseits tritt die Spraytechnologie als eigenständige Prozessstufe in Erscheinung, um einen verfahrenstechnischen, chemischen oder biotechnologischen Prozess zu gestalten (nanostrukturierte Partikelbildung, reaktive Stoffumwandlung, produktschonende Stoffaufbereitung). Konventionelle Zerstäubungsverfahren, in denen es um das Zerteilen eines Flüssigkeitskontinuums in ein möglichst feines, homogenes Tropfenspektrum geht, weisen generell energetische und verfahrenstechnische Einschränkungen auf. Die reine Druckzerstäubung mittels Einstoffdüse – das grundlegendste und robusteste Verfahren – bedarf zumeist hoher Eingangsdrücke. Zweistoffdüsen erzielen dem hingegen zwar ein feinteiliges Spray, jedoch erst durch den Einsatz von additivem Prozessgas. Die Zerstäubung überhitzter Flüssigkeiten vereint die Vorteile der einfachen Geometrie der Einstoffdüse mit dem in der Zweistoffdüse erzeugten feinen Tropfenspektrum, indem die als Wärme zugeführte Energie zu einer partiellen Verdampfung des Prozessfluids im Düsenkanal führt. Bereits bei geringen Überhitzungsgraden führen die im Düsenkanal einsetzende Entspannungsverdampfung und der Drucksprung am Düsenaustritt zum Aufreißen des austretenden Flüssigkeitsstrahls. Es resultieren feinteilige Spraytropfen moderater Geschwindigkeiten. Einhergehender kommt es bei der Phaseninversion zur abrupten Abkühlung des Fluids und fortfolgend zum stetigen Einmischen von Umgebungsgas in das Spray (Entrainment). Die vorliegende Arbeit gibt grundlegenden Aufschluss über den Zerstäubungsprozess überhitzter Flüssigkeiten anhand des Modellfluids Wasser. Die Gestaltung des Sprays resultiert dabei aus der Gestaltung des Prozesses, der sich wiederum maßgeblich über die Betriebsparameter (Druck und Temperatur) stromaufwärts und stromabwärts der eingesetzten Düse definiert. Im Zentrum der experimentellen Untersuchungen stehen Einflüsse die sich aus dem Überhitzungsgrad und aus der Bauform der Zylinderdüse (L/D-Verhältnis, Oberflächenrauhigkeit und Benetzungseigenschaften des Düsenkanals) auf die mittlere Tropfengröße, die Temperaturverteilung und die Geschwindigkeitsverteilung des sich radial aufweitenden Spraykegels ergeben. Dazu kommen sowohl bildgebende als auch laseroptische Messmethoden zum Einsatz. Sie lassen Rückschlüsse über die Ausprägung der in der Düse einsetzenden Entspannungsverdampfung (Flash Boiling) und über eine Limitierung des Massendurchsatzes (kritischer Massenstrom) zu. Die Phänomenologie der Zerstäubung überhitzter Flüssigkeiten eröffnet infolge der steuerbaren Wechselwirkungsprozesse von Hydrodynamik und Thermodynamik ein breites Feld an Anknüpfungspunkten für die kontrollierte Partikelbildung im Spraytropfen sowie für die Gasphasenreaktion am Tropfen. Besondere Bedeutung kommt dabei dem hohen Zerteilungsgrad und dem mit der Entspannungsverdampfung einhergehenden abrupten Temperaturabfall am Düsenaustritt zu.