Experimentelle Untersuchung der Sprühmorphologie in einer Spiral-Düse mit doppelter Steigung

Warum große Wasserzerstäuber wichtig sind

Wenn ein Lagerhaus oder ein Industriegebäude in Brand gerät, soll schnell viel Wasser dorthin gebracht und dort verteilt werden, wo es wirkt. Spezielle Düsen in Überflutungssystemen tun genau das: Sie wandeln druckbeaufschlagtes Wasser in breite Sprühfelder um. Bei einem gängigen Design — der Spiral-Düse — gibt es jedoch überraschend wenig detaillierte Daten darüber, wie sich das Sprühbild tatsächlich bildet und sich mit steigendem Druck verändert. Diese Studie wirft einen experimentellen Blick auf eine Spiral-Düse mit doppelter Steigung, um zu zeigen, wie viel Wasser sie abgibt und wie sich ihre Sprühform entwickelt, mit direktem Bezug zur Brandbekämpfung, Kühlung und anderen industriellen Anwendungen.

Ein genauerer Blick auf ein verdrehtes Metallwerkzeug

Spiral-Düsen sind kompakte, einteilige Metallteile mit einer Spitze in Helixform. Wenn Wasser an der Spirale vorbeiströmt, zerfällt es eher in kegelförmige Tropfendarstellungen als in einen einfachen Strahl. Diese Düsen können sehr hohe Durchsätze bewältigen — bis zu Tausenden Litern pro Minute — und sind gegenüber Verstopfungen resistent, was wichtig ist, wenn hartes oder verunreinigtes Wasser verwendet wird. Sie werden bereits in der Rauchgasreinigung, beim Sprühtrocknen, in Kolonnen zur Destillation und besonders in Überflutungssystemen zur Brandbekämpfung eingesetzt, wo in Sekundenbruchteilen viel Wasser freigesetzt werden muss. Trotz dieser weiten Verbreitung haben die meisten früheren Studien nur den äußersten sichtbaren Sprühkegel gemessen und die inneren Strukturen sowie detaillierte Druck-Durchfluss-Beziehungen weitgehend unberührt gelassen.

Die verborgene Struktur des Sprühnebels erforschen

Die Forschenden konzentrierten sich auf eine Spiral-Düse mit zwei Spiralsteigungen, die von Natur aus mehrere Sprühkegel gleichzeitig bilden kann. In einem sorgfältig kontrollierten Prüfaufbau pumpten sie Wasser durch die Düse bei Einlassdrücken von 0,2 bis 3,4 bar und ermittelten sowohl die abgegebene Wassermenge als auch die Spreizung jedes Sprühkegels. Eine helle LED-Hintergrundbeleuchtung und eine hochwertige Digitalkamera hielten die Sprühformen vor dunklem Hintergrund fest. Die Bilder wurden anschließend mit Kanten­erkennungs­verfahren verarbeitet, um die Sprühbegrenzungen zu bestimmen und die Kegelwinkel für einen äußeren Sprühkegel (Spray 1) und einen inneren Sprühkegel (Spray 2) zu berechnen. Die Massenstromrate wurde durch Wägung des gesammelten Wassers über die Zeit bestimmt, wobei Messunsicherheit und Reproduzierbarkeit berücksichtigt wurden.

Drei Stadien mit steigendem Druck

Das Verhalten der Düse gliederte sich natürlich in drei Bereiche. Bei sehr niedrigem Druck (etwa 0,2 bar) tropfte das Wasser lediglich in groben, großen Tropfen — kaum ein Sprühnebel. Zwischen 0,2 und 1 bar nahm der Durchfluss langsam zu und bildete eher einen kontinuierlichen Strahl statt eines feinen Nebels. Um etwa 1,3 bar trat der Strahl in eine Übergangsphase kurz vor der eigentlichen Zerstäubung ein. Sobald der Einlassdruck ungefähr 1,6 bar erreichte, erschien das charakteristische Muster: Zwei getrennte Sprühkegel bildeten sich, ein äußerer Kegel und ein schmalerer innerer Kegel. Während der Druck von 1,6 bis 3 bar anstieg, erhöhte sich der Gesamtmassenstrom um mehr als das Zehnfache. Oberhalb von 3 bar begann die Zunahme des Durchflusses jedoch abzuebben, was darauf hindeutet, dass die Düse sich einem hydraulischen Sättigungspunkt näherte, der durch ihre innere Geometrie bestimmt wird.

Zwei Sprühkegel, zwei sehr unterschiedliche Verhaltensweisen

Die Doppel-Sprühstruktur zeigte ein auffälliges gespaltenes Verhalten. Der äußere Sprühkegel, Spray 1, reagierte stark auf den Druck: Sein Winkel vergrößerte sich von etwa 64 Grad bei 1,6 bar auf ungefähr 121 Grad bei 3,4 bar und erweiterte so die benetzte Fläche erheblich. Im Gegensatz dazu blieb der innere Sprühkegel, Spray 2, über denselben Druckbereich bemerkenswert stabil bei rund 30 Grad und veränderte sich nur geringfügig. Bei den höchsten Drücken traten außerdem schwache sekundäre Sprays in der Nähe der Hauptkegel auf, und die Ränder aller Sprays wurden „staubiger“, was eine Wolke feinerer Tropfen widerspiegelt und die Begrenzungen schwerer definierbar machte. Beide Sprühkegel zeigten oberhalb von 3 bar Anzeichen einer Winkel­sättigung, bei der weitere Drucksteigerungen nur geringe Veränderungen bewirkten, was erneut die begrenzende Rolle der Düsenabmessungen unterstreicht.

Was das für reale Systeme bedeutet

Für Nicht-Spezialisten ist die Kernbotschaft klar: Die Art und Weise, wie eine Spiral-Düse Wasser verteilt, hängt bis zu einem gewissen Punkt stark vom Druck ab, wird dann aber durch ihre Form begrenzt. Bei niedrigen Drücken sprüht die Düse kaum; bei den typischen Betriebsdrücken für die Brandbekämpfung öffnet sie sich plötzlich zu zwei klaren Kegeln, wobei der äußere Kegel mit steigendem Druck deutlich breiter wird, während der innere Kegel schmal und konstant bleibt. Schließlich reagieren sowohl Durchfluss als auch Kegelwinkel kaum noch auf weiteren Druckzuwachs. Diese präzisen Messwerte liefern Ingenieuren verlässliche Größen für die Auslegung sicherer Brandbekämpfungs- und Kühlsysteme und dienen als wichtige Kontrolle für Computermodelle, die das Verhalten solcher Düsen unter anspruchsvollen Bedingungen vorhersagen sollen.

Zitation: Khani Aminjan, K., Strasser, W., Marami Milani, S. et al. Experimental investigation on spray morphology in dual pitch spiral nozzle. Sci Rep 16, 8577 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39550-z

Schlüsselwörter: Spiral-Düse, Sprühmorphologie, Brandbekämpfung, Zerstäubung, Sprühkegelwinkel