Geordnete Turbulenzerzeugung mit WST in der Einspritztechnik

 

Je nach WST- Düsengrößen und geometrischem Aufbau der Durchströmplatten und Verwirbelungsunterstützer lassen sich mit der WST Feinstzerstäubungen erzeugen, die in unterschiedlichsten geometrischen Formationen in den Brennraum eingesprüht werden können, hohlkegel-, glocken- oder kugleartig etc.. Auch lässt sich durch die Größe der WST-Düse die jeweilge Einpritzmenge steuern, variieren und optimieren.

Bei der WST Zerstäubung lässt sich die Tropfengröße, Strahlenausbreitung und Penetration in den Brennraum durch Größe und geometrischen Aufbau der WST-Düse und Druckverhaltnisse bei Einspritzdruck und Brennraumdruck sehr genau steuern, sowohl bei hohen wie auch bei niedrigen Drücken.     

 

Bei derzeitigen Öl- und Gasbrennerverfahren wird der Brennstoff weitgehend gradlinig in den Brennraum eingesprüht. Die Steuerung erfolgt in erster Linie durch genaue Einstellungen vieler Parameter wie Brennstoffdruck, Einspritzmenge u. -häufigkeit, Brennraumdruck, Temperatur, Tröpfchengröße, gleichmäßige Verteilung des Brennstoffes, Strahlenausbreitung etc.. Turbulenzen erhöhen dabei die Luft-/Brennstoff-Interaktion.  Wenn überhaupt zur Zeit Turbulenzen erzeugt werden, werden diese gebildet durch weitgehend geradlinig eingesprühten Brenntstoff.    

 

Mit der WST besteht die Möglichkeit, den Brennstoff nicht geradlinig, sondern

kurvenartig in einer Kreisbewegung einzusprühen. Hierdurch wird die Strahl-geschwindigkeit bei gleichem Strahldruck sehr viel stärker natürlich abgebremst als

bei einer geradlinigen Bewegung. Die Strahlausbreitung wäre daher bei gleichen Druckverhältnissen  konzentrierter auf kleinerem Raum durchführbar. Gleichzeitig würde der Vermischungsgrad mit der Luft im Brennraum größer ausfallen, weil die Interaktion mit der Umgebungsluft intensiver ausfallen dürfte bei ähnlichen Druckverhältnissen. 

 

Man kann anhand der WST geordnete Turbulenzen bzw. Verwirbelungen ablaufen lassen, deren Funktionsweise folgende Verwirbelungsphasen berücksichtigt:

 

Geordnete Turbulenzerzeugung/Verwirbelung mit WST

 

Man kann intensive Verwirbelungsabläufe in viele Phasen zerlegen. Es ist ein insgesamt komplexer und empfindlicher Prozess. In der WST werden sämtliche

wichtige Verwirbelungsphasen berücksichtigt. Die einzelnen Verwirbelungsphasen laufen vollständig und aufeinander abgestimmt ab. Es entstehen intensive, geordnete und vollständige Verwirbelungsabläufe.   .

 

1)

Die erste Phase könnte man als die Phase der Initiierung bezeichnen. Hier entscheidet sich, ob eine Verwirbelung entsteht und wenn ja, welche Art von Verwirbelung und ob eine intensive Verwirbelung  zustande kommen kann. Bei einer vollständigen Verwirbelung sollte die gesamte Masse an Flüssigkeiten, Gasen und Feststoffen am Gesamtverwirbelungsprozess teilnehmen und ihn durchlaufen und es sollten nicht Teilmassen lediglich oberflächliche Teilturbulenzen bilden bzw. Turbulenzen insgesamt oberflächlich ablaufen. Bei der WST wird dafür gesorgt, dass die Substanzen sehr feinschichtig miteinander verwoben werden und so wird bereits zu Anfang eine Verwirbelung vorbereitet, die die Substanzen bis in die Mikroebenen der Molekularstrukturen hinein intensiv miteinander verwirbeln und dadurch auch sehr intensiv vermischen.    

 

 

2)

Die zweite Phase könnte man die Phase der Entwicklung nennen. Hier entscheidet sich, ob die entstandene Verwirbelung auch konsequent weiter geführt wird oder sich schnell wieder auflöst. Die Weiterführung findet bereits in der Durchströmplatte statt und danach im Verwirbelungsunterstützer (Trichter etc.).  

 

3)

Die dritte Phase könnte man als die Phase der Verstärkung bezeichnen. Hier entscheidet sich, ob die Verwirbelung sich in der weiteren Entwicklung weiter verstärken kann bzw. ob die sie durchlaufenden Substanzen sich immer weiter beschleunigen und in immer feineren Schichten und Strukturen miteinander vermischen können. Die Verstärkung findet im Verwirbelungsunterstützer statt, in dem die Substanzen in einer sich beschleunigenden Bewegung immer weiter enturbuliert / verwirbelt werden.

 

4)

Die vierte Phase ließe sich als die Phase der Ausdehnung beschreiben. Hier entscheidet sich, ob die Verwirbelung sich auszudehnen und dabei nicht abgebremst wird, sondern sich weiter fortsetzen kann. Die Ausdehung erfolgt zuerst im Verwirbelungsunterstützer und dann, nachdem die Substanzen aus dem Verwirbelungsunterstützer herausströmen bzw. herauswirbeln. Die Substanzen verlassen den Verwirbelungsunterstützer weiterhin stark in sich wirbelnd und bilden dabei,  je nach Absicht und Steuerung z. B. eine Glocke oder andere Geometrien und Sprühbilder.

   

5) Die fünfte Phase könnte man als die Phase der Herauswirbelung kennzeichnen. Hier entscheidet sich, wie fein und in welcher Beschleunigung und Drehgeschwindigkeit die einzelnen Substanzen, Tröpfchen und Gase aus der Verwirbelung herausgewirbelt werden. Die Verwirbelung wird bei der WST nach dem Verlassen des Verwirbelungsunterstützers, in der in sich wirbelnden Glocke fortgesetzt und auch nachdem die Glocke verlassen wurde, setzt sich die Drehung und Vermischung der Teilchen mit der Umgebung fort, je nach Umgebung in stärkerem Maße oder in abgebremster Weise.  Nach dieser 5. Phase zeigt sich, welche Intensität der gesamte Verwirbelungsablauf hatte. Ein Gradmesser dafür ist die Intensität der Vermischung der beteiligten Substanzen. Bei einem gelungenen und effizienten Verwirbelungsablauf sollte die Vermischung homogen und bis in die feinsten Mikrobereiche der Molekülstrukturen der gesamten Masse an Substanzen stattgefunden haben. 

 

Es bieten sich mit der WST vielfältige Möglichkeiten an, um Verwirbelungen und Vermischungen so intensiv und vollständig wie möglich ablaufen zu lassen.

 

Derzeitige Einspritzmethoden nutzen bereits Turbulenzen als positives Mittel der Vermischung. Diese Turbulenzen laufen jedoch eher grob und oberflächlich ab. Man verlässt sich in erster Linie auf hohe Drücke, um eine gute Vermischung zu erzielen.

Bei der  WST laufen die Turbulenzen als systematische, koordinierte und geordnete Verwirbelungabläufe ab, mit einer besseren Vermischungseffizienz und –vollständigkeit.

Das Luft-Brennstoffgemisch würde dann bereits stark miteinander interagierend in den Brennraum eingesprüht und würde gleichzeitig so gesteuert eingesprüht, dass diese

Verwirbelung bis in den feinsten Mikrobereich der Luft- und Brennstoffmoleküle intensiv

initiert würde und dann im Brennraum fortgesetzt würde,  auch ohne großen Druck aufwenden zu müssen. Wenn man dann zusätzlich die Druckverhältnisse von

Brennstoffdruck und Brennraumdruck optimiert, könnten mit der WST noch höhere Effizienzen und ganz neuartige Vermischungsintensitäten entstehen zwischen Luft und

Brennstoff. Es würden effizientere Brennstoffverbräuche und Leistungen möglich werden.

 

Es wäre auch möglich, nicht allein Kraftstoff einzusprühen und die Vermischung von Kraftstoff und Luft nicht allein im Brennraum stattfinden zu lassen, sondern man könnte auch während der Einspritzung bereits etwas Luft zusammen mit dem Kraftstoff einsprühen, die dann anhand der WST bereits während des Einspritzvorgangs unmittelbar und sehr intensiv mit dem Kraftstoff vermischt würde und nicht erst im

Brennraum. Dies würde dadurch geschehen, dass die Luft und der Kraftstoff beim Einspritzen direkt miteinander intensiv verwirbelt würden. Man könnte auch eine Vorstufe stattfinden lassen ähnlich einer Vorkammereinspritzung und so Luft und Kraftstoff bereits vor dem Einspritzvorgang in einem WST Prozess miteinander vermischen.

 

Die durch die WST entstehende Einspritzung ergibt eine stark in sich wirbelnde Gemischglocke, deren genaue Form man steuern kann, wobei diese Steuerung auch möglich ist bei geringeren Druckverhältnissen oder Differenzen zwischen Brennstoff-druck und Brennraumdruck.  Man könnte die eingespritze Gemischglocke oder - wolke so gestalten, dass sie nicht an die Brennraumwände gelangt, sondern in der Mitte des Brennraumes stattfindet. Durch höhere Drücke und Druckdiffernzen ließe sich die Form der Glocke zusätzlich steuern.

 

Es bieten sich mit der WST weitere Möglichkeiten an, um die Vermischung von Brennstoff und Luft so intensiv und vollständig ablaufen zu lassen wie möglich. Man könnte links- und rechtsdrehende Verwirbelungen ab einem bestimmten Punkt aufeinander treffen lassen und vieles weitere mehr. Wenn man einen vollständigen  WST Verwirbelungsablauf stattfinden lassen kann, sollte die Vermischung aller beteiligten Substanzen miteinander allerdings bereits sehr vollständig abgelaufen sein. Durch einen vollständigen und intensiven Verwirbelungsablauf, wie er mit der WST zu bewerkstelligen ist, lassen sich äußerst intensive und vollständige Vermischungen erzeugen. Evtl. schaffen es WST Verwirbelungsabläufe sogar, ohne annähernd derzeit übliche Druckhöhen aufwenden zu müssen, effizientere Vermischungen von Brennstoff und Luft zu erzeugen als das heute möglich ist.

 

WST-Düsen sind in ganz kleinen Größen sowie in sehr großen Größen jeweils voll funktionsfähig und funktionieren bei ganz unterschiedlichen Druckverhältnissen,

von geringen Drücken bis zu hohen Drücken. Es lassen sich mit WST-Düsen die unterschiedlichsten Sprühmuster erzeugen. Man könnte WST-Düsensysteme sowohl

in einer Vorverwirbelungskammer zur Efizienzsteigerung einsetzen sowie auch bei der Direkteinspritzung in den Brennraum.