Аэрозоль — это динамическая совокупность капель, диспергированных в газе . [1] Процесс образования распыления известен как распыление. Распылительная насадка — это устройство, используемое для создания распыления. Два основных применения распылителей — это распределение материала по поперечному сечению и создание площади поверхности жидкости. Существуют тысячи применений, в которых распыление позволяет использовать материал наиболее эффективно. Необходимо понимать требуемые характеристики распыления , чтобы выбрать наиболее подходящую технологию, оптимальное устройство и размер. [2]
Распыление распылением может быть осуществлено несколькими способами. Самый распространенный метод — использование распылительной насадки , которая обычно имеет канал для жидкости, на который действуют различные механические силы, распыляющие жидкость. [3] Первое распылительное сопло было изобретено Томасом А. ДеВильбисом из Толедо, штат Огайо, в конце 1800-х годов. Его изобретением был распылитель с лампочкой, который использовал давление для воздействия на жидкость, превращая жидкость в мелкий туман. Формирование распыления принимает несколько форм, наиболее распространенными из которых являются распылители под давлением, центробежные, электростатические и ультразвуковые форсунки .
Распылительные форсунки предназначены для работы в различных условиях эксплуатации. При выборе насадки следует учитывать следующие характеристики: [4]
Выбор форсунки на основе формы и других требуемых характеристик распыла обычно дает хорошие результаты. [5] Поскольку распылительные форсунки предназначены для работы в самых разных условиях распыления, требованиям для данного применения может соответствовать более одной форсунки. На поверхности можно нанести рисунок любой формы. Результаты довольно предсказуемы и зависят от выбранного типа распыления. Если поверхность неподвижна, предпочтительной насадкой обычно является насадка с полным конусом, поскольку ее форма покрывает большую площадь, чем у других типов. Пространственные применения, в которых целью не является распыление на поверхность, скорее всего, потребуют специальных характеристик распыления. Успех в этих приложениях часто полностью зависит от таких факторов, как размер капли и скорость распыления. Испарение, скорость охлаждения газов и твердых частиц, а также эффективность очистки являются примерами характеристик процесса, которые могут во многом зависеть от качества распыления.
Ниже описана каждая форма распыления с типичными условиями конечного применения.
Этот тип насадок обеспечивает высокую производительность на единицу площади и используется во многих приложениях для очистки, например, насадки для очистки резервуаров (фиксированные или вращающиеся).
Этот рисунок распыления представляет собой круглое кольцо жидкости. Такая схема достигается за счет использования впускного отверстия, расположенного по касательной к цилиндрической вихревой камере, открытой с одного конца. Выход круглого отверстия имеет диаметр меньший, чем вихревая камера. Вращающаяся жидкость принимает круглую форму; центр кольца полый. Форсунки с полым конусом лучше всего подходят для применений, требующих хорошего распыления жидкостей при низком давлении или когда необходима быстрая передача тепла. Эти форсунки также имеют большие и беспрепятственные каналы для потока, которые обеспечивают относительно высокую устойчивость к засорению. Форсунки с полым конусом обеспечивают наименьший размер капель. Относительный диапазон размеров капель, как правило, уже, чем у других гидравлических стилей.
Форму полого конуса также можно получить за счет спиральной конструкции сопла. Это сопло подает жидкость на выступающую спираль. Эта спиральная форма разбивает жидкость на несколько полых конусов. Изменяя топологию спирали, можно заставить структуры полых конусов сходиться, образуя один полый конус.
Форсунки с полным конусом обеспечивают полное распыление на участке круглой, овальной или квадратной формы. Обычно жидкость закручивается внутри сопла и смешивается с невращающейся жидкостью, миновавшей внутреннюю лопасть. Затем жидкость выходит через отверстие, образуя коническую форму. Угол распыления и распределение жидкости внутри конуса зависят от конструкции и расположения лопаток относительно выходного отверстия. Конструкция выходного отверстия и относительные геометрические пропорции также влияют на угол и распределение распыления. Полноконусные форсунки обеспечивают равномерное распределение капель среднего и большого размера благодаря конструкции их сердцевины с большими проходами для потока. Полноконусные форсунки наиболее широко используются в промышленности.
Как следует из названия, рисунок распыления представляет собой плоский слой жидкости. Рисунок образован эллиптическим или круглым отверстием на отклоняющей поверхности, касательной к выходному отверстию. Отверстие имеет внешнюю канавку с профилированным внутренним цилиндрическим радиусом или формой «кошачьего глаза». При эллиптической конструкции отверстия распыление распыляется из отверстия вдоль линии трубы. В конструкции дефлектора форма распыла перпендикулярна трубе. Существует две категории плоского распыления: коническое и равномерное, в зависимости от равномерности распыления по факелу распыла. Плоские формы распыла с сужающимися краями создаются прямоточными эллиптическими форсунками. Этот рисунок распыления полезен для перекрытия рисунков между несколькими коллекторами форсунок. Результатом является равномерное распределение по всей распыляемой поверхности. Неконические форсунки с плоской струей используются в задачах очистки, требующих равномерного распыления без перекрытия зоны распыления.
В автомобильных форсунках обычно используются распылители с несколькими шлейфами. Множественные шлейфы в первую очередь используются для обеспечения оптимального смешивания топлива и воздуха с целью снижения выбросов загрязняющих веществ в различных условиях эксплуатации. Автомобильные форсунки с несколькими шлейфами могут иметь от 2 до 8 шлейфов. Точное расположение центра тяжести этих шлейфов, отдельные углы шлейфов и процентное соотношение жидкости между шлейфами обычно получают с помощью оптического шаблонизатора .
Все производители распылительных форсунок указывают производительность в расчете на воду. Поскольку удельный вес жидкости влияет на скорость ее потока, значения необходимо корректировать с помощью приведенного ниже уравнения, где Qw — водоемкость, а Spg — удельный вес используемой жидкости, в результате чего получается объемный расход используемой жидкости Qf.
Производительность форсунки зависит от давления распыления. В целом связь между емкостью и давлением следующая:
где Q1 — известная производительность при давлении P1, а Q2 — производительность, которую необходимо определить при давлении P2.
Воздействие струи на целевую поверхность выражается как сила/площадь, Н/м 2 или фунт/дюйм 2 . Это значение зависит от распределения распыла и угла распыления. Обычно форсунки со сплошной струей или плоскоструйные форсунки с узким углом распыления используются для применений, в которых требуется высокая мощность, например, при очистке. Когда для очистки используется насадка, удар или давление называется ударом. Как и в случае со всеми видами распыления, ударная нагрузка агрегата уменьшается по мере увеличения расстояния от сопла, тем самым увеличивая размер зоны воздействия.
Воздействие распыления зависит от объемного расхода Q и падения давления в соответствии с уравнением, приведенным ниже. Тип сопла и расстояние между соплом и поверхностью влияют на константу C.
Угол распыла расходится или сходится относительно вертикальной оси. Как показано на рисунке ниже, угол распыла имеет тенденцию уменьшаться или расходиться по мере увеличения расстояния от отверстия. Покрытие распыления зависит от угла распыления. Теоретическое покрытие C диаграмм 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 оптическими или механическими методами. Оптические методы включают теневую фотографию, экстинкционную томографию и Mie Imaging. [6] Углы распыления важны при нанесении покрытий, чтобы предотвратить чрезмерное распыление материалов с покрытием, в двигателях внутреннего сгорания, чтобы предотвратить намокание стенок цилиндров, и в спринклерных системах пожаротушения, чтобы обеспечить адекватное покрытие защищаемого объекта.
Размер капли — это размер капель распыления, составляющих форму распыла форсунки. [7] Не все капли в одном распылителе имеют одинаковый размер. Существует несколько способов описания размеров капель в аэрозоле:
• Средний диаметр Саутера (SMD) или D32
• Медианный диаметр по объему (VMD) DV0,5 и медианный диаметр по массе (MMD)
Размеры капель указаны в микрометрах (мкм). Один микрометр равен 1/25 400 дюйма.
Размер и/или объемное распределение капель в аэрозоле обычно выражается соотношением размера и совокупного объемного процента.
Сравнение распределения размеров капель из разных форсунок может сбить с толку. Коэффициент относительного диапазона (RSF) сводит распределение к одному числу. Параметр указывает на равномерность распределения капель по размерам. Чем ближе это число к 1, тем более равномерным будет распыление (т.е. наиболее плотное распределение, наименьшее отклонение от максимального размера капли Dmax до минимального размера капли Dmin). RSF предоставляет практические средства для сравнения различных распределений размеров капель.
Распыления обычно характеризуются статистическими величинами, полученными на основе измерений размера и скорости множества отдельных капель. Наиболее широко используемыми величинами являются распределения вероятностной плотности размера и скорости, а также потоки, например, число, масса, импульс и т. д. Через заданную плоскость некоторые инструменты выводят такие статистические величины на основе отдельных измерений, например, плотность числа по ослаблению света, но очень немногие приборы способны напрямую измерять размер и скорость отдельных капель в аэрозоле. [8] Тремя наиболее широко используемыми методами измерения размера капель являются лазерная дифракция, оптическая визуализация и фазовый допплер. Все эти оптические методы неинтрузивны. Если бы все капли имели одинаковую скорость, измерения размера капель были бы одинаковыми для всех методов. Однако существует значительная разница между скоростью более крупных и мелких капель. Эти оптические методы классифицируются как пространственные или потоковые. Метод пространственной выборки измеряет капли в конечном измерительном объеме. Время пребывания капель в измерительном объеме влияет на результаты. Методы, основанные на потоке, производят непрерывную выборку по поперечному сечению измерения.
Лазерная дифракция, [9] метод пространственного отбора проб, основана на принципе дифракции Фраунгофера, которая возникает в результате взаимодействия света с каплями в аэрозоле. Угол рассеяния дифракционной картины обратно пропорционален размеру капли. В этом неинтрузивном методе используется длинный цилиндрический оптический зонд. Рассеянный свет проходит через специальную систему трансформирующих линз и собирается на ряде концентрических фотодиодных колец. Сигнал с фотодиодов используется для обратного расчета распределения капель по размерам. Ряд линз позволяют проводить измерения от 1,2 до 1800 мкм.
В методе оптической визуализации используется импульсный свет, лазер или стробоскоп для создания теневого графического изображения, используемого для определения размера капли в измерительном объеме. Этот метод пространственных измерений имеет диапазон от 5 мкм до 10 000 мкм с изменением линзы и оптической конфигурации. Программное обеспечение для анализа изображений обрабатывает необработанные изображения для определения эквивалентного кругового диаметра капли. Этот метод лучше всего подходит для количественного определения капель большего диаметра в аэрозолях средней и низкой плотности, непрозрачных жидкостях (суспензиях) и связках (частично сформированных каплях).
Фазовый доплеровский метод, [10] основанный на потоке, одновременно измеряет размер и скорость частиц. Этот метод, также известный как PDPA, уникален, поскольку информация о размере капли и скорости находится в фазовом угле между сигналами детектора и сдвигом частоты сигнала. Поскольку этот метод не чувствителен к интенсивности, его используют при более плотных распылениях. Диапазон размеров капель составляет от 1 до 8000 мкм. В основе метода лежат скрещенные лазерные лучи, которые создают интерференционные картины (регулярно расположенные узоры из светлых и темных линий) и освещают капли при их прохождении через небольшую зону измерения. Серия из трех внеосевых детекторов собирает оптический сигнал, который используется для определения фазового угла и сдвига частоты, вызванного падениями.
Методы оптической визуализации и фазовой допплерографии измеряют размер отдельных капель. Необходимо количественно определить достаточное количество капель (порядка 10 000 капель), чтобы получить репрезентативное распределение и минимизировать эффект случайных колебаний. Часто необходимо несколько точек измерения струи, поскольку размер капли варьируется в зависимости от поперечного сечения струи.
Тип и мощность форсунки: полноконусные форсунки имеют самый большой размер капель, за ними следуют плоскоструйные форсунки. Форсунки с полым конусом дают капли наименьшего размера. Давление распыления: размер капли увеличивается при более низком давлении распыления и уменьшается при более высоком давлении. Скорость потока: скорость потока напрямую влияет на размер капли. Увеличение скорости потока увеличит перепад давления и уменьшит размер капли, а уменьшение скорости потока уменьшит перепад давления и увеличит размер капли.
Угол распыления: угол распыления оказывает 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 струи. Увеличение любого из этих свойств обычно приводит к увеличению размера капли.
В рамках каждого типа распыления наименьшая производительность дает наименьшие капли распыления, а наибольшая производительность дает самые большие капли распыления. Объемный средний диаметр (VMD) основан на объеме распыляемой жидкости; поэтому это широко принятая мера
Плотность поверхности капли представляет собой произведение площади поверхности капли распыления на количество капель в единице объема. Плотность поверхности очень важна при испарении и сжигании, поскольку локальная скорость испарения сильно коррелирует с плотностью поверхности. Гашение света, вызванное каплями распыления, также прямо пропорционально плотности поверхности. Двумя наиболее широко используемыми методами измерения поверхностной плотности являются лазерная листовая визуализация и статистическая томография экстинкции. [11]
Данные о размере капель зависят от многих переменных и всегда подлежат интерпретации. Следующие рекомендации предлагаются для облегчения понимания и эффективного использования данных о размере капель.
Распыление углеводородных жидкостей является одним из наиболее экономически значимых применений распылителей. Примеры включают топливные форсунки для бензиновых и дизельных двигателей , форсунки для реактивных двигателей (газовых турбин), [12] форсунки для впрыска тяжелого мазута в воздух для горения в форсунках паровых котлов и форсунки ракетных двигателей. Размер капель имеет решающее значение, поскольку большая площадь поверхности мелко распыленной струи увеличивает скорость испарения топлива. Распыление топлива в воздухе для горения имеет решающее значение для максимизации эффективности этих систем и минимизации выбросов загрязняющих веществ ( сажи , NOx , CO). [13]
Известняковая суспензия распыляется с помощью одиночных форсунок для распыления жидкости для контроля выбросов кислых газов, особенно выбросов диоксида серы (SO2), от угольных электростанций с жидкими скрубберами. Гидроксид кальция (известь) распыляется в абсорбере распылительной сушилки для удаления кислых газов (SO2 и HCl) из угольных электростанций. Вода распыляется для удаления твердых частиц с помощью распылительной башни или циклонного распылительного скруббера [14]. В градирнях для распределения воды используются распылительные форсунки.
Спреи широко используются в производстве. [17] Некоторые типичные области применения — нанесение клея, смазка подшипников и охлаждающие инструменты при механической обработке.
.jpg/1280px-Objectes_de_la_Sala_Horta_i_Marjal_(27190138015).jpg)
Распыление гербицидов, инсектицидов и пестицидов необходимо для распределения этих материалов по намеченной целевой поверхности. [20] Довсходовые гербициды распыляются на почву, но многие материалы наносятся на поверхность листьев растений. Сельскохозяйственные опрыскивания включают опрыскивание пахотных земель, леса, газонных трав и фруктовых садов. Распылитель может быть ручным соплом, установленным на наземном транспортном средстве или на самолете. Гербициды, инсектициды и пестициды наносятся распылением на почву или листву растений для распределения и рассеивания этих материалов. См. применение с воздуха , внесение пестицидов , опрыскиватель . Контроль характеристик распыления имеет решающее значение для обеспечения покрытия листвы и минимизации нецелевого сноса распыления на прилегающие участки. (дрейф пестицидов). Снос распыления можно контролировать, применяя его только при соответствующих ветровых условиях и влажности, а также контролируя размер и распределение капель по размерам. Минимизация высоты штанги опрыскивателя над культурой уменьшает снос. Тип и размер распылительной форсунки, а также рабочее давление обеспечивают правильную норму внесения материала и контролируют количество сносящихся частиц. Спейсы, одножидкостные форсунки, также используются для охлаждения животных.
Распылители используются с насосными распылителями бытовых чистящих средств. Функция этих насадок – распределить продукт по площади. См. аэрозольный баллончик и баллончик.
