Распылительная форсунка или распылитель — это устройство, которое облегчает распыление жидкости путем образования распыления . Для получения распыления требуется фрагментация жидких структур, таких как жидкие слои или связки, на капли, часто с использованием кинетической энергии для преодоления затрат на создание дополнительной площади поверхности. Существует большое разнообразие распылительных форсунок, которые используют один или несколько механизмов распада жидкости, которые можно разделить на три категории: разрыв жидкого слоя, струи и капиллярные волны. Распылительные форсунки имеют большое значение для многих применений , где распылительная форсунка спроектирована так, чтобы иметь правильные характеристики распыления . [1]
Распылительные форсунки могут иметь одно или несколько выходных отверстий; многовыходное сопло известно как составное сопло. Многовыходные отверстия на форсунках присутствуют на распылительных шарах, которые использовались в пивоваренной промышленности в течение многих лет для очистки бочек и кегов. [2] Распылительные форсунки варьируются от тех, которые предназначены для тяжелого промышленного использования, до легких аэрозольных баллончиков или бутылок с распылителем . [3]
Одножидкостные или гидравлические распылительные форсунки используют кинетическую энергию, сообщаемую жидкости, для ее разбиения на капли. Этот наиболее широко используемый тип распылительных форсунок более энергоэффективен при производстве площади поверхности, чем большинство других типов. По мере увеличения давления жидкости поток через форсунку увеличивается, а размер капли уменьшается. В зависимости от желаемых характеристик распыления используются многие конфигурации одножидкостных форсунок.
Простейшая одножидкостная форсунка — это форсунка с простым отверстием, как показано на схеме. Такая форсунка часто производит небольшое распыление, если вообще производит, но направляет поток жидкости. Если перепад давления высокий, не менее 25 бар (2500 кПа; 360 фунтов на кв. дюйм), материал часто мелко распыляется, как в дизельном инжекторе. При более низком давлении этот тип форсунки часто используется для очистки резервуаров, либо как фиксированная позиционная форсунка для распыления смеси, либо как вращающаяся форсунка.
Формованное отверстие использует полусферическую форму входного отверстия и V- образный выступ выходного отверстия, чтобы поток распространялся по оси V-образного выступов. В результате получается плоская веерная струя, которая полезна для многих распылительных применений, таких как окраска распылением.
Поверхностное сопло с ударным распылением заставляет поток жидкости ударяться о поверхность, в результате чего образуется слой жидкости, который распадается на мелкие капли. Это плоское сопло с веерным распылением используется во многих областях применения, начиная от нанесения сельскохозяйственных гербицидов и заканчивая покраской.
Поверхность соударения может быть сформирована в виде спирали, что позволяет получить спиральный лист, приближающийся к форме распыления полного конуса или формы распыления полого конуса. [4]
Спиральная конструкция обычно обеспечивает меньший размер капли, чем конструкция сопла с вихревым типом давления, для заданного давления и расхода. Такая конструкция устойчива к засорению благодаря большому свободному проходу.
К распространенным областям применения относятся очистка газов (например, десульфуризация дымовых газов , где более мелкие капли часто обеспечивают превосходную эффективность) и пожаротушение (где сочетание плотностей капель обеспечивает проникновение распыляемой жидкости через сильные тепловые потоки).
Форсунки с вихревым распылением под давлением представляют собой высокопроизводительные (малый размер капли) устройства с одной показанной конфигурацией. Неподвижный сердечник вызывает вращательное движение жидкости, которое вызывает завихрение жидкости в вихревой камере. Пленка выпускается с периметра выходного отверстия, создавая характерный рисунок распыления в виде полого конуса. Воздух или другой окружающий газ втягивается внутрь вихревой камеры, образуя воздушный сердечник внутри завихряющейся жидкости. Для создания этого рисунка в виде полого конуса используются многие конфигурации входных отверстий для жидкости в зависимости от производительности форсунки и материалов конструкции. Применение этой форсунки включает испарительное охлаждение и распылительную сушку.
Одна из конфигураций сплошного конусного распылительного сопла показана на схематической диаграмме. Однако вихревое движение жидкости вызывается лопастной структурой; поток нагнетания заполняет все выходное отверстие. При той же производительности и перепаде давления сплошное конусное сопло будет производить больший размер капли, чем полое конусное сопло. Охват является желаемой характеристикой для такого сопла, которое часто используется для распределения жидкости по площади.
Составная форсунка — это тип форсунки, в которой несколько отдельных одиночных или двухжидкостных форсунок объединены в один корпус форсунки, как показано ниже. Это позволяет контролировать размер капли и угол покрытия распылением.
Двухжидкостные форсунки распыляют, вызывая взаимодействие высокоскоростного газа и жидкости. В качестве распыляющего газа чаще всего используется сжатый воздух, но иногда используются пар или другие газы. Многочисленные разнообразные конструкции двухжидкостных форсунок можно сгруппировать в форсунки внутреннего смешения или форсунки внешнего смешения в зависимости от точки смешивания потоков газа и жидкости относительно торца форсунки.
Форсунки внутреннего смешивания контактируют с жидкостями внутри форсунки; одна из конфигураций показана на рисунке ниже. Сдвиг между высокоскоростным газом и низкоскоростной жидкостью разбивает поток жидкости на капли, создавая высокоскоростной распыл. Этот тип форсунки, как правило, использует меньше распыляющего газа, чем форсунка внешнего смешивания, и лучше подходит для потоков с более высокой вязкостью. Многие составные форсунки внутреннего смешивания используются в коммерческих целях; например, для распыления мазута.
Форсунки внешнего смешивания контактируют с жидкостями за пределами форсунки, как показано на принципиальной схеме. Этот тип распылительной форсунки может потребовать больше распыляющего воздуха и более высокого перепада давления распыляющего воздуха, поскольку смешивание и распыление жидкости происходит за пределами форсунки. Перепад давления жидкости для этого типа форсунки ниже, иногда жидкость втягивается в форсунку из-за всасывания, вызванного распыляющими воздушными форсунками (сифонная форсунка). Если распыляемая жидкость содержит твердые частицы, может быть предпочтительнее распылитель внешнего смешивания. Этот распылитель может быть сформирован для получения различных схем распыления. Плоская схема формируется с дополнительными воздушными отверстиями для выравнивания или изменения формы круглого поперечного сечения распыления.
Во многих приложениях используются двухжидкостные форсунки для достижения контролируемого небольшого размера капли в диапазоне операций. Каждая форсунка имеет кривую производительности, а скорости потока жидкости и газа определяют размер капли. [5] Чрезмерный размер капли может привести к катастрофическому отказу оборудования или может оказать неблагоприятное воздействие на процесс или продукт. Например, башня кондиционирования газа на цементном заводе часто использует испарительное охлаждение, вызванное водой, распыляемой двухжидкостными форсунками в запыленный газ. Если капли не полностью испаряются и ударяются о стенку сосуда, пыль будет накапливаться, что приведет к потенциальному ограничению потока в выпускном канале, нарушая работу завода.
Роторные распылители используют высокоскоростной вращающийся диск, чашку или колесо для распыления жидкости с высокой скоростью по периметру, образуя полый конусный распыл. Скорость вращения контролирует размер капли. Распылительная сушка и распылительная окраска являются наиболее важными и распространенными применениями этой технологии. Они также могут быть автоматическими.
Этот тип распылительной форсунки использует высокочастотную (20–180 кГц) вибрацию для получения узкого распределения размера капель и распыления с низкой скоростью из жидкости. Вибрация пьезоэлектрического кристалла вызывает капиллярные волны на поверхности жидкой пленки форсунки. Ультразвуковая форсунка может быть ключом к высокой эффективности переноса и стабильности процесса, поскольку ее очень трудно засорить. Она особенно полезна в покрытиях медицинских устройств из-за своей надежности. [6]
Электростатическая зарядка спреев очень полезна для высокой эффективности переноса. Примерами являются промышленное распыление покрытий (краски) и нанесение смазочных масел. Зарядка происходит при высоком напряжении (20–40 кВ), но слабом токе.
Почти все данные о размере капель, предоставляемые производителями форсунок, основаны на распылении воды в лабораторных условиях при температуре 21 °C (70 °F). Влияние свойств жидкости следует понимать и учитывать при выборе форсунки для процесса, чувствительного к размеру капель.
Изменения температуры жидкости не оказывают прямого влияния на производительность форсунки, но могут влиять на вязкость, поверхностное натяжение и удельный вес, что в свою очередь может повлиять 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 распылительной насадки. Все предоставленные поставщиком данные о производительности насадок основаны на распылении воды. Для определения объемного расхода Q жидкости, отличной от воды, следует использовать следующее уравнение.
Динамическая вязкость определяется как свойство жидкости, которое сопротивляется 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 для начала формирования рисунка распыления и дают более узкие углы распыления по сравнению с водой.
Поверхностное натяжение жидкости имеет тенденцию принимать наименьший возможный размер, действуя как мембрана под натяжением. Любая часть поверхности жидкости оказывает натяжение на соседние части или на другие объекты, с которыми она контактирует. Эта сила находится в плоскости поверхности, и ее величина на единицу длины является поверхностным натяжением. Значение для воды составляет около 0,073 Н/м (0,0050 фунт-сила / фут) при 21 °C (70 °F). Основные эффекты поверхностного натяжения заключаются в минимальном рабочем давлении, угле распыления и размере капли. Поверхностное натяжение более очевидно при низких рабочих давлениях. Более высокое поверхностное натяжение уменьшает угол распыления, особенно на полых конических форсунках. Низкое поверхностное натяжение может позволить форсункам работать при более низких давлениях.
Износ форсунки определяется увеличением ее пропускной способности и изменением формы распыления, при котором распределение (равномерность формы распыления) ухудшается и увеличивается размер капель. Выбор износостойкого материала конструкции увеличивает срок службы форсунки. Поскольку для измерения потоков используется много одножидкостных форсунок, изношенные форсунки приводят к чрезмерному использованию жидкости.
Материал конструкции выбирается на основе свойств жидкости, которая должна распыляться, и окружающей среды вокруг сопла. Сопла для распыления чаще всего изготавливаются из металлов, таких как латунь , нержавеющая сталь и никелевые сплавы , но также используются пластики, 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 капель размером 10–100 мкм (0,39–3,94 мил ), равномерно нанесенных на подложку. Применение технологии распыления более выражено в ходе процесса нанесения базовых и прозрачных покрытий, которые охватываются как последние этапы в автомобильном покрытии. Среди прочего, вращающиеся колокола, установленные на роботах, и распылители hvlp (большой объем, низкое давление) широко используются для окраски кузова автомобиля во время производства. [8] Сельскохозяйственное распыление может включать гидравлические, двухжидкостные и вращающиеся форсунки: обсуждается далее в разделе «Применение пестицидов» .
