Распылительная насадка или распылитель — это устройство, облегчающее распыление жидкости за счет образования струи . Производство спрея требует фрагментации жидких структур, таких как жидкие листы или связки, на капли, часто с использованием кинетической энергии для преодоления затрат на создание дополнительной площади поверхности. Существует большое разнообразие распылительных форсунок, в которых используется один или несколько механизмов разрушения жидкости, которые можно разделить на три категории: разрушение слоя жидкости, струи и капиллярные волны. Распылительные форсунки имеют большое значение во многих случаях , когда распылительная форсунка спроектирована так, чтобы иметь правильные характеристики распыления . [1]
Распылительные форсунки могут иметь одно или несколько выпускных отверстий; сопло с несколькими выходами известно как составное сопло. Множественные выпускные отверстия на форсунках имеются на распылительных шарах, которые уже много лет используются в пивоваренной промышленности для очистки бочек и бочонков. [2] Распылительные форсунки варьируются от форсунок для тяжелых промышленных условий до легких аэрозольных баллончиков или распылителей . [3]
Одножидкостные или гидравлические распылительные форсунки используют кинетическую энергию, сообщаемую жидкости, для ее разделения на капли. Этот наиболее широко используемый тип распылительной насадки более энергоэффективен при увеличении площади поверхности, чем большинство других типов. По мере увеличения давления жидкости поток через сопло увеличивается, а размер капли уменьшается. В зависимости от желаемых характеристик распыления используются многие конфигурации одиночных жидкостных форсунок.
Простейшая одножидкостная форсунка представляет собой форсунку с простым отверстием, как показано на схеме. Эта насадка часто практически не распыляет жидкость, но направляет поток жидкости. Если падение давления велико, не менее 25 бар (2500 кПа; 360 фунтов на квадратный дюйм), материал часто мелко распыляется, как в дизельном инжекторе. При более низких давлениях этот тип форсунки часто используется для очистки резервуаров либо в виде распылительной форсунки с фиксированным положением, либо в виде вращающейся форсунки.
Формованное отверстие имеет входное отверстие полусферической формы и выходное отверстие с V- образным вырезом, что обеспечивает распространение потока по оси V-образного выреза. В результате получается плоскоструйное распыление , которое полезно во многих случаях распыления, например, при покраске распылением.
Сопло, направленное на поверхность, заставляет поток жидкости падать на поверхность, в результате чего слой жидкости распадается на мелкие капли. Эта плоская веерная форсунка используется во многих областях: от нанесения сельскохозяйственных гербицидов до покраски.
Поверхность воздействия может быть сформирована в виде спирали, чтобы получить лист спиралевидной формы, напоминающий форму распыления с полным конусом или форму распыления с полым конусом. [4]
Спиральная конструкция обычно обеспечивает меньший размер капель, чем конструкция сопла вихревого типа, при заданном давлении и расходе. Эта конструкция устойчива к засорению благодаря большому свободному проходу.
Общие области применения включают очистку газов (например, обессеривание дымовых газов , где более мелкие капли часто обеспечивают превосходную эффективность) и пожаротушение (где сочетание плотностей капель позволяет распылению проникать через сильные тепловые потоки).
Форсунки с вихревым распылением под давлением представляют собой высокопроизводительные устройства (с малым размером капли) с одной показанной конфигурацией. Неподвижный сердечник вызывает вращательное движение жидкости, которое вызывает завихрение жидкости в вихревой камере. Пленка выбрасывается по периметру выпускного отверстия, образуя характерный полый конус. Воздух или другой окружающий газ втягивается внутрь вихревой камеры, образуя воздушное ядро внутри закрученной жидкости. Для создания этой модели полого конуса используются многие конфигурации впускных отверстий для жидкости в зависимости от производительности сопла и материалов конструкции. Эта насадка используется для испарительного охлаждения и распылительной сушки.
Одна из конфигураций сплошного конусного распылителя показана на принципиальной схеме. Однако лопастная конструкция вызывает вихревое движение жидкости; поток нагнетания заполняет все выпускное отверстие. При той же производительности и перепаде давления форсунка с полным конусом будет производить капли большего размера, чем форсунка с полым конусом. Покрытие является желаемой характеристикой такого сопла, которое часто используется для распределения жидкости по площади.
Составное сопло — это тип сопел, в котором несколько отдельных одиночных или двух жидкостных сопел встроены в один корпус сопла, как показано ниже. Это позволяет контролировать размер капли и угол распыления.
Двухжидкостные форсунки распыляют, вызывая взаимодействие высокоскоростного газа и жидкости. В качестве распыляющего газа чаще всего используется сжатый воздух, но иногда используют пар или другие газы. Многообразие конструкций двухжидкостных сопел можно разделить на внутреннее или внешнее смешивание в зависимости от точки смешивания потоков газа и жидкости относительно поверхности сопла.
Форсунки внутреннего смешивания контактируют с жидкостями внутри форсунки; одна конфигурация показана на рисунке ниже. В результате сдвига между высокоскоростным газом и низкоскоростной жидкостью поток жидкости распадается на капли, образуя высокоскоростную струю. Этот тип форсунки имеет тенденцию использовать меньше распыляющего газа, чем распылитель с внешним смешиванием, и лучше подходит для потоков с более высокой вязкостью. Многие составные форсунки внутреннего смешения используются в коммерческих целях; например, для распыления мазута.
Сопла внешнего смешивания контактируют с жидкостями за пределами сопла, как показано на принципиальной схеме. Для распылительного сопла этого типа может потребоваться больше распыляющего воздуха и более высокий перепад давления распыляющего воздуха, поскольку смешивание и распыление жидкости происходит вне сопла. Падение давления жидкости для этого типа насадки ниже, иногда жидкость всасывается в насадку из-за всасывания, создаваемого распыляющими воздушными форсунками (сифонная насадка). Если распыляемая жидкость содержит твердые вещества, может быть предпочтительным распылитель с внешним смешиванием. Этому распылителю может быть придана форма, обеспечивающая различные формы распыления. Плоский рисунок формируется с дополнительными воздушными отверстиями, чтобы сгладить или изменить форму выброса круглого поперечного сечения распыления.
Во многих приложениях используются двухжидкостные форсунки для достижения контролируемого небольшого размера капель в широком диапазоне операций. Каждое сопло имеет кривую производительности, а скорость потока жидкости и газа определяет размер капли. [5] Чрезмерный размер капли может привести к катастрофическому выходу оборудования из строя или оказать неблагоприятное воздействие на процесс или продукт. Например, в башне подготовки газа на цементном заводе часто используется испарительное охлаждение, вызванное распылением воды двухжидкостными форсунками в запыленный газ. Если капли не испаряются полностью и ударяются о стенку резервуара, пыль будет накапливаться, что может привести к ограничению потока в выпускном канале и нарушению работы установки.
Роторные распылители используют высокоскоростной вращающийся диск, чашку или колесо для выброса жидкости на высокой скорости по периметру, образуя полый конус распыления. Скорость вращения контролирует размер капли. Распылительная сушка и окраска распылением являются наиболее важными и распространенными вариантами использования этой технологии. Они также могут быть автоматическими.
В распылительных форсунках этого типа используется высокочастотная (20–180 кГц) вибрация для получения узкого распределения капель по размерам и низкоскоростного распыления жидкости. Вибрация пьезоэлектрического кристалла вызывает капиллярные волны на поверхности сопла жидкой пленки. Ультразвуковые сопла могут сыграть ключевую роль в обеспечении высокой эффективности переноса и стабильности процесса, поскольку их очень трудно засорить. Они особенно полезны в покрытиях медицинского оборудования из-за своей надежности. [6]
Электростатический заряд распылителей очень полезен для обеспечения высокой эффективности переноса. Примерами являются промышленное напыление покрытий (краски) и нанесение смазочных масел. Зарядка происходит при высоком напряжении (20–40 кВ), но малом токе.
Почти все данные о размере капель, предоставленные производителями форсунок, основаны на распылении воды в лабораторных условиях при температуре 21 °C (70 °F). Влияние свойств жидкости следует понимать и учитывать при выборе насадки для процесса, чувствительного к размеру капли.
Изменения температуры жидкости не влияют напрямую на производительность форсунки, но могут влиять на вязкость, поверхностное натяжение и удельный вес, что затем может влиять на производительность распылительной форсунки.
Удельный вес – это отношение массы данного объема жидкости к массе того же объема воды. При распылении основное влияние удельного веса Sg жидкости, отличной от воды, оказывает на производительность распылительного сопла. Все данные о производительности форсунок, предоставленные поставщиком, основаны на распылении воды. Для определения объемного расхода Q жидкости, отличной от воды, следует использовать следующее уравнение.
Динамическая вязкость определяется как свойство жидкости сопротивляться изменению формы или расположения ее элементов во время течения. Вязкость жидкости в первую очередь влияет на формирование рисунка распыления и размер капель. Жидкости с высокой вязкостью требуют более высокого минимального давления, чтобы начать формирование распыла и обеспечить более узкие углы распыления по сравнению с водой.
Поверхностное натяжение жидкости стремится принять минимально возможную величину, действуя как натянутая мембрана. Любая часть поверхности жидкости оказывает натяжение на соседние части или на другие объекты, с которыми она контактирует. Эта сила находится в плоскости поверхности, а ее величина на единицу длины представляет собой поверхностное натяжение. Значение для воды составляет около 0,073 Н/м (0,0050 фунт-фут / фут) при 21 °C (70 °F). Основное влияние поверхностного натяжения оказывается на минимальное рабочее давление, угол распыления и размер капли. Поверхностное натяжение более заметно при низких рабочих давлениях. Более высокое поверхностное натяжение уменьшает угол распыла, особенно на форсунках с полым конусом. Низкое поверхностное натяжение позволяет использовать форсунки при более низких давлениях.
На износ форсунок указывает увеличение производительности форсунки и изменение формы распыла, при котором ухудшается распределение (равномерность формы распыла) и увеличивается размер капель. Выбор износостойкого материала конструкции увеличивает срок службы сопла. Поскольку для дозирования потока используется множество одиночных жидкостных форсунок, изношенные форсунки приводят к чрезмерному расходу жидкости.
Материал конструкции выбирается с учетом свойств жидкости, подлежащей распылению, и окружающей среды, окружающей сопло. Распылительные форсунки чаще всего изготавливаются из металлов, таких как латунь , нержавеющая сталь и никелевые сплавы , но также используются пластмассы, такие как ПТФЭ и ПВХ , а также керамика ( оксид алюминия и карбид кремния ). Необходимо учитывать несколько факторов, включая эрозионный износ, химическое воздействие и воздействие высокой температуры.
Автомобильное покрытие: Автомобильное покрытие требует, чтобы капли размером 10–100 мкм (0,39–3,94 мил ) равномерно наносились на подложку. Применение технологии распыления более заметно в процессе нанесения базового и прозрачного покрытий, которые являются последними этапами автомобильного покрытия. Среди прочего, роторные колокола, установленные на роботах, и распылители HVLP (большого объема, низкого давления) широко используются для окраски кузова автомобиля во время производства. [8] Для опрыскивания в сельском хозяйстве могут использоваться гидравлические, сдвоенные и вращающиеся форсунки: обсуждается далее в разделе «Внесение пестицидов» .
