Распыление — это динамическое собрание капель, диспергированных в газе . [1] Процесс образования распыления называется атомизацией. Распылительное сопло — это устройство, используемое для создания распыления. Два основных применения распылений — это распределение материала по поперечному сечению и создание площади поверхности жидкости. Существуют тысячи применений, в которых распыления позволяют использовать материал наиболее эффективно. Необходимо понимать требуемые характеристики распыления , чтобы выбрать наиболее подходящую технологию, оптимальное устройство и размер. [2]
Распыление может быть сформировано несколькими способами. Наиболее распространенным методом является распылительное сопло , которое обычно имеет жидкостный канал, на который воздействуют различные механические силы, распыляющие жидкость. [3] Первое распылительное сопло было изобретено Томасом А. ДеВилбиссом из Толедо, штат Огайо, в конце 1800-х годов. Его изобретением был баллонный распылитель, который использовал давление для воздействия на жидкость, разбивая ее на мелкий туман. Распыление приняло несколько форм, наиболее распространенными из которых являются распылители под давлением и центробежные, электростатические и ультразвуковые сопла .
Распылительные форсунки предназначены для работы в различных условиях эксплуатации. При выборе форсунки следует учитывать следующие характеристики: [4]
Выбор форсунки на основе рисунка и других требуемых характеристик распыления обычно дает хорошие результаты. [5] Поскольку распылительные форсунки предназначены для работы в различных условиях распыления, для данного применения может подойти несколько форсунок. Поверхности можно распылять с любой формой рисунка. Результаты довольно предсказуемы в зависимости от типа указанного рисунка распыления. Если поверхность неподвижна, предпочтительная форсунка обычно представляет собой какой-либо тип полноконусного сопла, поскольку его рисунок будет охватывать большую площадь, чем другие стили. Пространственные применения, в которых целью не является распыление на поверхность, с большей вероятностью потребуют специализированных характеристик распыления. Успех в этих применениях часто полностью зависит от таких факторов, как размер капли и скорость распыления. Испарение, скорость охлаждения газов и твердых веществ и эффективность очистки являются примерами характеристик процесса, которые могут в значительной степени зависеть от качества распыления.
Ниже описаны все схемы распыления с типичными вариантами конечного использования.
Этот тип форсунок обеспечивает высокую ударную силу на единицу площади и используется во многих областях применения, например, в качестве форсунок для очистки резервуаров (фиксированных или вращающихся).
Эта схема распыления представляет собой круглое кольцо жидкости. Схема достигается за счет использования входного отверстия, тангенциального к цилиндрической вихревой камере, которая открыта с одного конца. Круглое выходное отверстие имеет диаметр меньше, чем вихревая камера. Завихряющаяся жидкость приводит к круглой форме; центр кольца полый. Форсунки с полым конусом лучше всего подходят для применений, требующих хорошего распыления жидкостей при низком давлении или когда требуется быстрая передача тепла. Эти форсунки также имеют большие и беспрепятственные проточные каналы, которые обеспечивают относительно высокую устойчивость к засорению. Форсунки с полым конусом обеспечивают наименьшее распределение размеров капель. Относительный диапазон размеров капель, как правило, уже, чем у других гидравлических стилей.
Полый конус также может быть получен с помощью спиральной конструкции сопла. Это сопло направляет жидкость на выступающую спираль. Эта спиральная форма разбивает жидкость на несколько полых конусных моделей. Изменяя топологию спирали, можно заставить полые конусные модели сходиться, образуя один полый конус.
Форсунки с полным конусом обеспечивают полное распыление в области круглой, овальной или квадратной формы. Обычно жидкость завихряется внутри форсунки и смешивается с невращающейся жидкостью, которая обошла внутреннюю лопасть. Затем жидкость выходит через отверстие, образуя конический рисунок. Угол распыления и распределение жидкости в конусном рисунке зависят от конструкции лопасти и ее расположения относительно выходного отверстия. Конструкция выходного отверстия и относительные геометрические пропорции также влияют на угол распыления и распределение. Форсунки с полным конусом обеспечивают равномерное распределение распыления капель среднего и большого размера в результате их конструкции сердечника, которая отличается большими проточными каналами. Форсунки с полным конусом являются наиболее широко используемым в промышленности стилем.
Как следует из названия, рисунок распыления выглядит как плоский слой жидкости. Рисунок формируется эллиптическим или круглым отверстием на отклоняющей поверхности, которая касается выходного отверстия. Отверстие имеет внешнюю канавку с контурным внутренним цилиндрическим радиусом или формой «кошачий глаз». В конструкции эллиптического отверстия рисунок распыления выходит из отверстия в соответствии с трубой. В конструкции дефлектора рисунок распыления перпендикулярен трубе. Существует две категории плоского распыления: коническое и равномерное, в зависимости от равномерности распыления по рисунку распыления. Плоские рисунки распыления с сужающимися краями производятся прямоточными эллиптическими распылительными форсунками. Такой рисунок распыления полезен для перекрывающихся рисунков между несколькими коллекторами форсунок. Результатом является равномерное распределение по всей распыляемой поверхности. Неконические плоскоструйные форсунки используются в очистных работах, где требуется равномерный рисунок распыления без перекрытия в области распыления.
Многоструйные распылители обычно используются в автомобильных инжекторах. Многоструйные распылители в основном используются для обеспечения оптимального смешивания топлива и воздуха, чтобы снизить выбросы загрязняющих веществ в различных рабочих условиях. Многоструйные автомобильные инжекторы могут иметь от 2 до 8 распылителей. Точное местоположение центра тяжести этих распылителей, отдельные углы распылителей и процентное разделение жидкости между распылителями обычно получают с помощью оптического паттернизатора .
Все производители распылительных форсунок приводят данные о производительности на основе воды. Поскольку удельный вес жидкости влияет на ее расход, значения необходимо скорректировать с помощью приведенного ниже уравнения, где Qw — это производительность по воде, а Spg — это удельный вес используемой жидкости, что дает объемный расход используемой жидкости Qf.
Мощность форсунки зависит от давления распыления. В общем, соотношение между мощностью и давлением следующее:
где Q1 — известная емкость при давлении P1, а Q2 — емкость, которую необходимо определить при давлении P2.
Воздействие распыления на целевую поверхность выражается как сила/площадь, Н/м 2 или фунт/дюйм 2 . Это значение зависит от распределения рисунка распыления и угла распыления. Как правило, сплошные струйные сопла или узкие плоские веерные сопла используются для применений, в которых требуется сильное воздействие, например, для очистки. Когда сопло используется для очистки, воздействие или давление называется соударением. Как и во всех рисунках распыления, единичное воздействие уменьшается по мере увеличения расстояния от сопла, тем самым увеличивая размер области воздействия.
Удар распыления, , зависит от объемного расхода Q и падения давления в соответствии с уравнением ниже. Тип сопла и расстояние между соплом и поверхностью влияют на константу C.
Угол распыления расходится или сходится относительно вертикальной оси. Как показано на рисунке ниже, угол распыления имеет тенденцию к сужению или расхождению с увеличением расстояния от отверстия. Охват распыления меняется в зависимости от угла распыления. Теоретическое покрытие, C, схем распыления на различных расстояниях можно рассчитать с помощью приведенного ниже уравнения для углов распыления менее 180 градусов. Предполагается, что угол распыления остается постоянным на всем расстоянии распыления. Жидкости, более вязкие, чем вода, образуют меньшие углы распыления или сплошные струи в зависимости от производительности сопла, давления распыления и вязкости. Жидкости с поверхностным натяжением ниже, чем у воды, создают более широкие углы распыления, чем те, которые указаны для воды. Углы распыления обычно измеряются с помощью оптических или механических методов. Оптические методы включают теневую съемку, томографию экстинкции и визуализацию Ми. [6] Углы распыления важны при нанесении покрытий для предотвращения избыточного распыления покрытых материалов, в двигателях внутреннего сгорания для предотвращения смачивания стенок цилиндров и в пожарных спринклерах для обеспечения адекватного покрытия защищаемой собственности.
Размер капли — это размер капель распыления, которые составляют схему распыления форсунки. [7] Капли распыления в пределах данного распыления не все имеют одинаковый размер. Существует несколько способов описания размеров капель в пределах распыления:
• Средний диаметр Саутера (SMD) или D32
• Объемный медианный диаметр (VMD) DV0.5 и массовый медианный диаметр (MMD)
Размеры капель указаны в микрометрах (мкм). Один микрометр равен 1/25400 дюйма.
Распределение размера и/или объема капель в распыляемой жидкости обычно выражается размером в процентах от совокупного объема.
Сравнение распределений размеров капель из альтернативных форсунок может сбивать с толку. Относительный фактор диапазона (RSF) сводит распределение к одному числу. Параметр указывает на однородность распределения размеров капель. Чем ближе это число к 1, тем более однородным будет распыление (т. е. самое плотное распределение, наименьшее отклонение от максимального размера капли, Dmax, до минимального размера капли, Dmin). RSF предоставляет практические средства для сравнения различных распределений размеров капель.
Спреи обычно характеризуются статистическими величинами, полученными из измерений размера и скорости многих отдельных капель. Наиболее широко используемыми величинами являются распределения плотности вероятности размера и скорости, а также потоки, например, число, масса, импульс и т. д. Некоторые приборы выводят такие статистические величины из отдельных измерений, например, плотность числа из затухания света, но очень немногие приборы способны выполнять прямые измерения размера и скорости отдельных капель в спрее. [8] Три наиболее широко используемых метода измерения размера капель — это лазерная дифракция, оптическая визуализация и фазовый Допплер. Все эти оптические методы являются неинтрузивными. Если бы все капли имели одинаковую скорость, измерения размера капли были бы идентичными для всех методов. Однако существует значительная разница между скоростью больших и малых капель. Эти оптические методы классифицируются как пространственные или основанные на потоке. Метод пространственной выборки измеряет капли в конечном объеме измерения. Время пребывания капель в объеме измерения влияет на результаты. Методы, основанные на потоке, непрерывно производят выборку по поперечному сечению измерения.
Лазерная дифракция, [9] метод пространственной выборки, основан на принципе дифракции Фраунгофера, который вызван взаимодействием света с каплями в распылении. Угол рассеяния дифракционной картины обратно пропорционален размеру капли. Этот неинтрузивный метод использует длинный цилиндрический оптический зондовый объем. Рассеянный свет проходит через специальную преобразующую систему линз и собирается на ряде концентрических фотодиодных колец. Сигнал с фотодиодов используется для обратного расчета распределения размеров капель. Ряд линз позволяют проводить измерения от 1,2 до 1800 мкм.
Метод оптической визуализации использует импульсный свет, лазер или стробоскоп для создания теневого графического изображения, используемого для определения размера капли в измерительном объеме. Этот пространственный метод измерения имеет диапазон от 5 мкм до 10 000 мкм с изменениями линз и оптической конфигурации. Программное обеспечение для анализа изображений обрабатывает необработанные изображения для определения диаметра эквивалентной круглой капли. Этот метод лучше всего подходит для количественной оценки капель большего диаметра в спреях средней и низкой плотности, непрозрачных жидкостях (суспензиях) и связках (частично сформированных каплях).
Фазовый допплер [10] , метод на основе потока, измеряет размер и скорость частиц одновременно. Этот метод, также известный как PDPA, уникален, поскольку информация о размере и скорости капли находится в фазовом угле между сигналами детектора и сдвигом частоты сигнала. Поскольку этот метод нечувствителен к интенсивности, он используется в более плотных спреях. Диапазон размеров капель составляет от 1 до 8000 мкм. В основе метода лежат скрещенные лазерные лучи, которые создают интерференционные узоры (регулярно расположенные узоры светлых и темных линий) и освещают капли, когда они проходят через небольшую зону измерения. Серия из трех внеосевых детекторов собирает оптический сигнал, который используется для определения фазового угла и сдвига частоты, вызванных каплями.
Методы оптической визуализации и фазового Доплера измеряют размер отдельных капель. Достаточное количество капель (порядка 10 000 капель) должно быть количественно определено для получения репрезентативного распределения и минимизации влияния случайных колебаний. Часто необходимо несколько точек измерения в распылении, поскольку размер капли меняется по поперечному сечению распыления.
Тип и производительность форсунки: форсунки с полным конусом имеют наибольший размер капли, за ними следуют форсунки с плоским распылением. Форсунки с полым конусом производят наименьший размер капли. Давление распыления: размер капли увеличивается при снижении давления распыления и уменьшается при повышении давления. Расход: расход напрямую влияет на размер капли. Увеличение расхода увеличит падение давления и уменьшит размер капли, в то время как уменьшение расхода уменьшит падение давления и увеличит размер капли.
Угол распыления: угол распыления имеет обратное влияние на размер капли. Увеличение угла распыления уменьшит размер капли, тогда как уменьшение угла распыления увеличит размер капли.
Свойства жидкости: вязкость и поверхностное натяжение увеличивают количество энергии, необходимое для распыления спрея. Увеличение любого из этих свойств обычно приводит к увеличению размера капли.
В пределах каждого типа распыления наименьшие мощности производят наименьшие капли распыления, а наибольшие мощности производят наибольшие капли распыления. Объемный медианный диаметр (VMD) основан на объеме распыленной жидкости; поэтому это широко принятая мера
Плотность поверхности капли является произведением площади поверхности капли распыления и количества капель на единицу объема. Плотность поверхности очень важна в приложениях испарения и горения, поскольку локальная скорость испарения тесно связана с плотностью поверхности. Затухание света, вызванное каплями в распылении, также прямо пропорционально плотности поверхности. Два наиболее широко используемых метода измерения плотности поверхности — это лазерная листовая визуализация и статистическая томография затухания. [11]
Данные о размере капли зависят от многих переменных и всегда подлежат интерпретации. Следующие рекомендации предлагаются для облегчения понимания и эффективного использования данных о размере капли.
Распыление углеводородных жидкостей является одним из наиболее экономически значимых применений распылителей. Примерами являются топливные инжекторы для бензиновых и дизельных двигателей , распылители для реактивных двигателей (газовых турбин), [12] распылители для впрыскивания тяжелого мазута в воздух для горения в инжекторах паровых котлов и инжекторах ракетных двигателей. Размер капли имеет решающее значение, поскольку большая площадь поверхности мелко распыленного распыления увеличивает скорость испарения топлива. Распыление топлива в воздух для горения имеет решающее значение для максимизации эффективности этих систем и минимизации выбросов загрязняющих веществ ( сажа , NOx , CO). [13]
Известняковый шлам распыляется с помощью одиночных распылительных форсунок для контроля выбросов кислых газов, особенно выбросов диоксида серы (SO2) с угольных электростанций с жидкостными скрубберами. Гидроксид кальция (известь) распыляется в распылительном сушильном абсорбере для удаления кислых газов (SO2 и HCl) с угольных электростанций. Вода распыляется для удаления твердых частиц с помощью распылительной башни или циклонного распылительного скруббера [14] Градирни используют распылительные форсунки для распределения воды.
Спреи широко используются в производстве. [17] Некоторые типичные области применения — нанесение клея, смазка подшипников и охлаждение инструментов при обработке на станках.
.jpg/1280px-Objectes_de_la_Sala_Horta_i_Marjal_(27190138015).jpg)
Распыление гербицидов, инсектицидов и пестицидов необходимо для распределения этих материалов по целевой поверхности. [20] Довсходовые гербициды распыляются на почву, но многие материалы наносятся на поверхность листьев растений. Сельскохозяйственные опрыскивания включают опрыскивание пахотных земель, лесов, газонной травы и садов. Распылитель может быть ручным соплом, на наземном транспортном средстве или на самолете. Гербициды, инсектициды и пестициды распыляются на почву или листву растений для распределения и рассеивания этих материалов. См. воздушное внесение , внесение пестицидов , опрыскиватель . Контроль характеристик распыления имеет решающее значение для обеспечения покрытия листвы и минимизации нецелевого сноса распыления на соседние участки. (снос пестицида). Снос распыления контролируется путем применения только при соответствующих ветровых условиях и влажности, а также путем контроля размера капель и распределения размера капель. Минимизация высоты штанги распылителя над урожаем уменьшает снос. Тип и размер распылительной насадки, а также рабочее давление обеспечивают правильную норму внесения материала и контролируют количество сносимых мелких частиц. Стерильные устройства, представляющие собой отдельные жидкостные форсунки, также используются для охлаждения животных.
Атомайзеры используются с насосными распылителями бытовых чистящих средств. Функция этих насадок заключается в распределении продукта по площади. См. аэрозольный спрей и баллончик с распылителем
