Zerstäubung

Abb. 1: Sauterdruchmesser SMD in [µm] . Abb. 2: Volumenkonzentration des flüssigen Kraftstoffs

Die Zerstäubung flüssiger Kraftstoffe spielt in Verbrennungsprozessen eine wichtige Rolle; der Kraftstoff muss vor der Verbrennung zerstäubt und verdampft werden. Um eine schnelle Verdampfung als Voraussetzung für eine schadstoffarme Verbrennung zu erreichen, wird eine möglichst feine Zerstäubung angestrebt.
In Gasturbinenbrennkammern werden in der Regel Luftstromzerstäuber eingesetzt. Dabei strömt Luft mit hoher Geschwindigkeit auf beiden Seiten eines Kraftstofffilms entlang. Die Zerstäubung erfolgt durch Instabilitäten in der Flüssigkeit, die durch Scherkräfte der Luftströmung erzeugt werden. Die Haupteinflussgrößen bei der Zerstäubung niedrigviskoser Flüssigkeiten sind die Dichte und die Geschwindigkeit der Luft sowie die Oberflächenspannung der Flüssigkeit. Zur Stabilisierung der Verbrennung werden die beiden Luftströme in der Regel verdrallt.

Die nebenstehenden Abbildungen zeigen die Verteilung des Sauterdurchmessers (SMD) und die Volumenkonzentration des flüssigen Kraftstoffs in einem Spraykegel hinter einer Luftstromzerstäuberdüse. Die Messungen wurden mit einem Phasen-Doppler-Anemometer durchgeführt.

Der Sauterdurchmesser ist ein mittlerer Durchmesser, der das gleiche Volumen zu Oberflächen Verhältnis hat, wie das betrachtete Tropfenkollektiv. Durch die Beschreibung des mittleren Volumen zu Oberflächen Verhältnisses eignet er sich besonders zur Charakterisierung verdampfender Sprays. Die Abbildung 1 zeigt, dass sich an den äußeren Rändern des Spraykegels die großen Tropfen befinden. Diese radiale Separation wird durch die Fliehkräfte der verdrallten Luftströme verursacht.

Die Abbildung 2 zeigt deutlich, wie sich das Luft/Kraftstoff-Gemisch mit zunehmendem Abstand von der Düse homogenisiert. Nahe der Düse gibt es enge Bereiche mit hohen Volumenkonzentrationen und ab 30mm große Bereiche mit mittleren Volumenkonzentrationen.