Warum Sprühdüsen für einen leistungsstarken Kühlprozess unverzichtbar sind

Sprühnebel werden zur Kühlung zahlreicher industrieller Prozesse eingesetzt – von Stanzpressen bis hin zu frisch geschmiedetem Stahl und von den Einlässen von Gasturbinen bis hin zu den Abgasströmen von Kraftwerken. Doch was macht Sprühnebel zu einer attraktiven Kühllösung? Es kommt auf den Impuls, die Oberfläche und die Verdampfung an.

Die Bedeutung der Verdampfung

Die Verdampfung von Flüssigkeiten erfordert viel Energie. Bei Wasser benötigt man etwa fünfmal mehr Energie, um es zu verdampfen (Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand), als man benötigen würde, um es von gerade geschmolzenem Eis (bei 0 °C) auf eine kurz vor dem Siedepunkt stehende Flüssigkeit (bei 100 °C) zu erhitzen. Natürlich kann eine Flüssigkeit auch dann eine Oberfläche kühlen, wenn sie nicht verdampft. Das Aufsprühen von Schmieröl auf eine Stanzpresse kühlt diese. Aber wir können Dinge weitaus effektiver kühlen, wenn wir die Flüssigkeit verdampfen lassen. Warum helfen Sprühverfahren also bei der Verdampfung? Durch das Erzeugen des Sprühnebels haben wir eine viel größere Oberfläche zwischen der Flüssigkeit und dem Medium geschaffen, das wir kühlen wollen.

Oberfläche und Wärmeübertragung (Kühlung) 

Warum überflutet man Oberflächen nicht einfach mit Wasser, um sie zu kühlen? Es gibt eine Grenze dafür, wie viel Wärmeübertragung (Kühlung) man mit nur einer Lache kochender Flüssigkeit erreichen kann. Wenn Wasser kocht (verdampft), dehnt es sich zu einem Gas aus. Wenn diese Ausdehnung an der heißen Oberfläche stark genug ist, erreichen wir einen Punkt, an dem die Flüssigkeit die Oberfläche nie mehr direkt berührt. Wir haben nun eine Gasschicht, die die heiße Oberfläche isoliert. Sprühtröpfchen fliegen mit einem gewissen Impuls durch die Luft. Selbst wenn eine Gasschicht die Oberfläche isoliert, kann der Impuls die Tröpfchen hindurchtragen.

Kühlung heißer Gasströme

Natürlich werden Sprühstrahlen nicht nur zur Kühlung von Oberflächen eingesetzt. Sie können auch zur Kühlung von Gasströmen verwendet werden. In vielen industriellen Anwendungen, wie beispielsweise bei Abgasen aus Kraftwerken, muss ein heißer Gasstrom gekühlt werden, bevor er in andere Anlagen gelangen oder in die Atmosphäre abgelassen werden kann. Sprühstrahlen sind für solche Anwendungen eine hervorragende Wahl. Da Sprühstrahlen eine eigene Geschwindigkeit haben, reichen bereits wenige an strategisch günstigen Stellen aus, um den Kanal mit Tröpfchen zu füllen – und so das gesamte Gas zu kühlen . Die strategische Positionierung von Sprühdüsen in Gasströmen ist entscheidend, um zu verhindern, dass Flüssigkeitströpfchen auf heiße Anlagen treffen und dort eine schnelle Verdunstung verursachen. Die Oberfläche der Tröpfchen in einem Gasstrom ist entscheidend für eine effektive Gaskühlung.

Schließlich muss man den Siedepunkt von Wasser nicht überschreiten, um von der Sprühkühlung zu profitieren. Außenverneblungsanlagen nutzen die Verdunstung, um die Wüstenluft zu kühlen, während sie deutlich unter dem Siedepunkt bleiben. Dieses Prinzip wird genutzt, um die Leistung von Gasturbinen in der Stromerzeugung zu steigern. Kältere Luft ist dichter. Daher kann mehr Sauerstoff in den Einlass gelangen und somit mehr Brennstoff verbrannt werden.  

Sprühkühlungstechnologie 

Kühlung spielt in einer Vielzahl von Anwendungen in vielen Branchen eine entscheidende Rolle. Dabei kommt Sprühtechnik zum Einsatz, und viele unserer Düsen sorgen für die erforderliche Sprühkühlung.  

• • WhirlJet®-Hohlkegeldüsen – Verdunstungskühlung in Sprühbecken und Kühltürmen, Gaswäsche, Waschen und Kühlen, Wasserbelüftung und Wasserkühlung.
• • VeeJet®-Flachstrahldüsen – Kühlung und Abschreckung, Brandbekämpfung/-verhütung, Gaswäsche, Waschen/Spülen und Wasserkühlung. 
• • FullJet®-Vollkegeldüsen und CasterJet®-Düsen – Wärmeübertragungskühlung in Stahlwerken. 
• • FloMax®-Luftzerstäubungs- und HP FogJet®-Düsen – Gaskühlung und -aufbereitung. 
• • Lanzen und Präzisionssprühinjektoren – Gaskühlung.

Lösungen zur Laboroptimierung

Um eine optimale Kühlleistung bei Feststoffen oder Gasen zu erzielen, bieten wir dank unserer Fachkompetenz in unseren hochmodernen Labors Lösungen in den Bereichen Wärmeübertragung, Tröpfchengrößenanalyse und Prozessmodellierung an, um die Betriebsumgebung unserer Kunden zu simulieren. 

Wir empfehlen Ihnen, Ihre Kunden an unser Sprühanalyseteam zu verweisen, damit wir Sie bei allen Herausforderungen und Anforderungen im Zusammenhang mit speziellen Kühlanwendungen unterstützen können. 

Kühlanwendungen – nachhaltige Lösungen

Kühlung von Feststoffen

Feste Objekte werden in der Regel mithilfe von Sprühdüsen und Sprühverteilern gekühlt, insbesondere in der Lebensmittelverarbeitung und der Metallbearbeitung. Beispiele hierfür sind die Kühlung von Marmeladen- und Geleegläsern nach der Dampfsterilisation, die Kühlung und Aushärtung von Betonblöcken sowie die Kühlung von Geflügelmastställen. Hier sind einige Beispiele für Produkte, die gekühlt werden müssen, um die Abdeckung zu optimieren und Ausschuss zu minimieren. 

• • Fallstudie 1 – Lösung: Hersteller von Gusseisenrohren vermeidet Nacharbeit und spart mit neuem Sprühsystem 40.000 US-Dollar pro Monat
• • Produktmerkmal: HHX FullJet®-Vollkegeldüsen sorgen für eine gleichmäßige Sprühverteilung und gewährleisten so eine einheitliche Kühlung sowie eine hohe Wärmeübertragung in der Stahlindustrie. Sie eignen sich ideal für sekundäre Kühlvorgänge wie beispielsweise bei Knüppeln, Blöcken, Rundstangen und Brammen.
• • Fallstudie 2 – Lösung: Neue Sprühdüsen sparen einem Rindfleischverarbeiter 2,7 Millionen Gallonen Wasser ein.
• • Produktmerkmal: Quick FloodJet®-Flachstrahldüsen erzeugen ein flaches Sprühmuster, das gleichmäßig von der Sprühmitte ausgeht. Die Ablenkfläche ermöglicht im Vergleich zu anderen Flachstrahldüsen größere Sprühwinkel.

Gaskühlung

Die Gaskühlung kann aufgrund hoher Temperaturen und extremer Umgebungsbedingungen kompliziert und anspruchsvoll sein. Es ist von entscheidender Bedeutung, die genaue Tröpfchengröße zu bestimmen, die erforderlich ist, um den gewünschten Kühleffekt ohne Benetzung zu erzielen. Der Prozessstrom und die Betriebsbedingungen haben einen großen Einfluss auf die Sprühleistung, daher wird häufig die numerische Strömungsmechanik (CFD) eingesetzt, um den besten Sprühdüsentyp, die Tröpfchengröße, die Platzierung im Gasstrom und die Sprührichtung zu ermitteln. 

Die Gaskühlung findet breite Anwendung in Raffinerien, Kraftwerken und der chemischen Industrie. Zu den typischen Anwendungsbereichen zählen die Kühlung in Rohrleitungen, die Schadstoffabscheidung, Notkühlung und vieles mehr.  

• • Fallstudie 1 – Lösung: Ethylenanlage verdoppelt die Produktion und steigert die Rentabilität mit neuen Gaskühl-Injektoren. 
• • Produktmerkmal: Präzisions-Sprühinjektoren bestehen aus einem Rohr mit einer oder mehreren anpassbaren Sprühdüsen, die so ausgelegt werden können, dass sie ein bestimmtes Flüssigkeitsvolumen bei einem vorgegebenen Druckabfall abgeben. Der Einsatz von Sprühdüsen am Injektor ermöglicht eine präzise Steuerung der Verteilung der eingespritzten Flüssigkeit in die aufnehmende Prozessflüssigkeit.  
• • Lösung aus Fallstudie 2: Wechseldüsen in einer Müllverbrennungsanlage sparen 100.000 US-Dollar pro Jahr ein. 
• • Produktmerkmal: FloMax®-Luftzerstäubungsdüsen erzeugen sehr kleine Tröpfchen mit außergewöhnlicher Effizienz. Die Düsen bieten deutlich höhere Regelbereiche als herkömmliche Zweistoffdüsen und sorgen so für maximale Betriebsflexibilität. 

Es gibt viele weitere Anwendungen im Bereich der Sprühkühlung, die wir testen und für die wir unseren Kunden, die vor Herausforderungen stehen, Lösungen anbieten:

• • Kühlung von Stahl in Stranggussanlagen 
• • Abschrecken von Metallen nach der Wärmebehandlung 
• • Walzenkühlung in Stahlwerken 
• • Kühlung von Lebensmittelgläsern nach der Verarbeitung 
• • Zonenweise Kühlung von Dachbaustoffen 
• • Verdunstungskühlung für Vieh und Geflügel 
• • Kühlung von extrudierten PVC-Rohren 
• • Sprühbecken zur Kühlung von Wasser aus Wärmetauschern

Wenn Sie mehr über unsere Kühlanwendungen erfahren oder eine konkrete Anwendung besprechen möchten, wenden Sie sich bitte an Ihren lokalen Sprühkühlungsexperten.