Technische Aspekte von Flachstrahldüsen

Worauf Sie bei Ihrer Planung achten sollten

Je nach Anwendung und Umgebungs- bzw. Einsatzbedingungen sind unterschiedliche Flachstrahldüsen gefordert. Mit seinem breit gefächerten Portfolio an Flachstrahldüsen bietet Lechler für jede Aufgabe die optimale Düsenlösung. Für die Wahl der optimalen Flachstrahldüsen sind nachfolgende Kriterien hilfreich.

Technische Aspekte von Flachstrahldüsen

Kriterien für die Düsenwahl

Impact
Impact
Strahlwinkel
Strahlwinkel
Sprühverhalten
Sprühverhalten
Flüssigkeitsverteilung
Flüssigkeitsverteilung
Tropfengrößen
Tropfengrößen
Einflussfaktoren auf das Temperaturverhalten von Düsenwerkstoffen
Einflussfaktoren auf das Temperaturverhalten von Düsenwerkstoffen
Material
Material
Verschleiß
Verschleiß

Impact – Aufprallkraft ist (fast) alles

Die Aufprallkraft (der Impact) eines Flüssigkeitsstrahles auf einer Fläche spielt beispielsweise für eine zuverlässige Reinigung oder in der Oberflächentechnik generell eine wichtige Rolle. Der Impact berechnet sich als Quotient aus der Strahlkraft und der Aufprallfläche.

Berechnung des Impacts:


F: Aufprallkraft (Strahlkraft)
A: Beaufschlagte Fläche (Aufprallfläche)

Parameter, die den Impact beeinflussen können

Impact – Aufprallfläche und Strahlform

Aufprallfläche und Strahlform

Die Aufprallfläche stellt den Bereich des Tropfeneinschlags dar. Dies ist der vom Flüssigkeitsstrahl beaufschlagte Bereich.

Düsen mit kleiner Aufprallfläche erzielen die höchsten Impactwerte. Zu diesen Düsen zählen z.B. Flachstrahldüsen mit kleinem Strahlwinkel sowie auch Vollstrahldüsen.

(Bild: Vergleich des Reinigungsergebnisses von drei Düsen bei identischem Druck und Volumenstrom.)

Impact – Erhöhung Druck und Volumenstrom

Druck und Volumenstrom

Aus einer Erhöhung des Anschlussdruckes resultiert eine Steigerung des Sprayimpacts. Eine Verdoppelung des Drucks bei gleichbleibendem Volumenstrom bewirkt eine Verdoppelung des Impacts.

Eine Vergrößerung des Volumenstroms durch Verwendung einer größeren Düse führt bei sonst gleichbleibenden Parametern (Strahlwinkel, Druck und Medium) zu einer Erhöhung des Impacts.

(Bild: Vergleich des Reinigungsergebnisses von drei Düsen bei Druck- oder Volumenstromerhöhung.)

Für einen hohen Impact ist – neben der Strahlkraft und der Aufprallfläche – auch die Tropfengröße sehr wichtig. Große Tropfen mit hoher Geschwindigkeit sind für einen hohen Impact von Vorteil. Bei steigendem Druck erhöht sich auch die Tropfengeschwindigkeit, allerdings nimmt die Tropfengröße ab. Damit bringt eine Druckerhöhung über den empfohlenen Betriebsdruck nur im Nahbereich der Düse Impactvorteile. Mit steigendem Abstand verlieren die kleinen Tropfen schnell an Geschwindigkeit und damit wird auch der Impact kleiner.

Düse mit großen Tropfen bei optimalem Druck und mit kleinen Tropfen bei zu hohem Druck Düse mit großen Tropfen bei optimalem Druck (links) und mit kleinen Tropfen bei zu hohem Druck (rechts).

Optimale Anordnung von Flachstrahldüsen und Zungendüsen

Standardmäßig haben Lechler Flachstrahldüsen eine parabelförmige Flüssigkeitsverteilung. Sie sind universell einsetzbar und unempfindlich gegen Druckschwankungen. Die Leistungsdaten sind exakt definiert. Funktionswerte wie Volumenstrom, Strahlbreite, Strahltiefe und Flüssigkeitsverteilung sind mit den verschiedensten Betriebsdrücken verfügbar. Als Sonderformen sind auch Düsen mit rechteckförmiger oder trapezförmiger Flüssigkeitsverteilung erhältlich.

Anordnung von Flachstrahldüsen mit parabelförmiger Flüssigkeitsverteilung

Anordnung von Flachstrahldüsen mit parabelförmiger Flüssigkeitsverteilung

Mit Lechler Flachstrahldüsen wird eine geschlossene, gleichmäßig beaufschlagte Fläche erzielt. Voraussetzung ist, dass sich die Strahlbreiten (B) um ca. 1/3 bis 1/4 überlappen. Die Düsen sollten dabei um ca. 5 – 15° zur Rohrlängsachse ausgerichtet werden, um eine Störung der Strahlen zu vermeiden.

B = Strahlbreite, E = Düsenabstand, H = Düseneinbauhöhe, α = Spritzwinkel

Anordnung von Zungendüsen

Anordnung von Zungendüsen

Um eine gleichmäßige Flächenbeaufschlagung zu erhalten, müssen die Düsen so angeordnet werden, dass sich die Strahlbreiten B um 1/3 bis 1/4 überlappen. Die Düsen sollten dabei um 15° zur Senkrechten der Rohrlängsachse geneigt werden (mit schräg angeschweißtem Nippel oder Lechler Kugelgelenk), um eine Störung der Strahlen zu vermeiden.

B = Strahlbreite, E = Düsenabstand, H = Düseneinbauhöhe, α = Spritzwinkel

Flachstrahldüsen Gesamtflüssigkeitsverteilung Flachstrahldüsen Gesamtflüssigkeitsverteilung

Sprühverhalten von Flachstrahldüsen

Das Sprühverhalten von Flachstrahldüsen wird durch mehrere Faktoren bestimmt:

  • Gestaltung der Austrittsgeometrie an der Düsenöffnung
  • Eigenschaften des Mediums (Dichte, Viskosität)
  • Aufbau im Inneren der Düse (Drallkörper)
  • Zuführung des Mediums (tangential, axial)
Sprühverhalten von Flachstrahldüsen

Einfluss der Viskosität auf das Sprühverhalten von Düsen

Die Viskosität ist ein Maß für die Zähflüssigkeit eines Fluids. Je größer die Viskosität, desto dickflüssiger (weniger fließfähig) ist das Fluid. Je niedriger die Viskosität, desto dünnflüssiger (fließfähiger) ist das Fluid, kann also bei gleichen Bedingungen besser fließen.

Beispiele für Fluide mit unterschiedlichen Viskositäten:

  • Wasser: 1 mPa·s bei 20° C
  • Kaffeesahne: 10 mPa·s bei 20° C
  • Olivenöl: ca. 80 mPa·s bei 20° C
  • Honig (Waldhonig): 10.000 mPa·s bei 20° C

Die Viskosität wird dynamisch (mPa·s oder Centipoise) oder kinematisch (m²/s oder 106 Centistokes) angegeben.

Viskositätsskala Viskositätsskala

Enormen Einfluss auf die Viskosität hat die Temperatur. Sie ist daher keinesfalls zu vernachlässigen. Dieser Einfluss ist zu beobachten, wenn Olivenöl bei Raumtemperatur (80 mPa·s bei 20° C) in eine Pfanne gegeben und erhitzt wird. Mit zunehmender Temperatur wird das Olivenöl immer flüssiger (20  mPa·s bei 60° C; 10  mPa·s bei 80° C).

Sprühverhalten einer Flachstrahldüse bei steigender Viskosität

Das folgende Beispiel zeigt das sich verändernde Sprühverhalten einer Flachstrahldüse aus der Baureihe 652 bei gleichbleibendem Druck und zunehmender Viskosität.

Die Bilder zeigen anschaulich, wie der Strahlwinkel mit zunehmender Viskosität immer kleiner wird. Würde eine Düse mit einer anderen Leistungsgröße genommen, wäre zudem erkennbar, dass der Einfluss der Viskosität auch von der Leistungsgröße der Düse abhängt. Der Strahlwinkel bei kleineren Leistungsgrößen nimmt stärker ab.

Der Einsatz von Flachstrahldüsen bei viskosen Medien ist grundsätzlich nur bedingt empfehlenswert. Die folgenden Aussagen treffen primär auf Flachstrahldüsen zu, können aber auch teilweise auf andere Düsenarten übertragen werden:

  • Volumenstrom: Über den Einfluss auf den Volumenstrom liegen die genauesten Erkenntnisse vor. Oftmals hat eine Flüssigkeit mit abweichender Viskosität auch eine abweichende Dichte im Vergleich zu Wasser. Dieser Dichteunterschied führt unabhängig von dem Viskositätsunterschied schon zu einem Volumenstromunterschied.
    Mit steigender Viskosität steigt auch der Druckverlust in der Zuleitung zur Düse. Daher ist es zu empfehlen, den Druck direkt an der Düse abzunehmen. Bei sehr hohen Viskositäten (ab ca. 100 mPa·s) findet schon innerhalb der Düse ein signifikanter Druckverlust statt, welcher dann zusätzlichen Einfluss auf den Volumenstrom hat.

    Formel zur Umrechnung des Volumenstroms bei unterschiedlicher Dichte:


    VFI: Volumenstrom der Flüssigkeit, deren Dichte von 1 abweicht
    VW: Volumenstrom Wasser
    ρ: Dichte [kg/m3]

  • Strahlwinkel: Mit zunehmender Viskosität wird der Strahlwinkel kleiner. Der Einfluss der Viskosität auf den Strahlwinkel ist auch von der Leistungsgröße bzw. von der Geometrie der Düse abhängig.
  • Aus Messergebnissen lässt sich schließen, dass Flachstrahldüsen mit größerem Volumenstrom winkelstabiler sind als solche mit kleinerer Leistungsgröße. Jedoch ist aus den Messergebnissen keine universelle Regel für den Strahlwinkel in Abhängigkeit von der Viskosität ableitbar. Es spielen viele Faktoren eine Rolle. Ein zunehmender Druck wirkt sich positiv auf die Stabilität des Strahlwinkels aus, speziell bei höheren Viskositäten.
  • Die Viskosität hat definitiv einen Einfluss auf die Flüssigkeitsverteilung!

Flachstrahldüsen: Wissenswertes und Produktporfolio

Wissenswertes über Flachstrahldüsen

Für einen intensiven und gleichmäßigen (Wasser)Strahl werden oftmals Flachstrahldüsen eingesetzt. Mehr über die Vorteile von Flachstrahldüsen sowie unterschiedliche Anwendungsbeispiele. Flachstrahldüsen

Lechler Flachstrahldüsen Portfolio

Lechler Flachstrahldüsen sind für industrielle, metallurgische und agrartechnische Anwendungen verfügbar. Für jeden Einsatzzweck bietet Lechler die optimale Lösung. Lechler Flachstrahldüsen Portfolio

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Funktionsvideos Flachstrahldüsen