Характеристики распыления - Spray characteristics

Форсунки предназначены для работы в различных условиях эксплуатации. При выборе форсунки следует учитывать следующие характеристики:^[1]

• Распыление
• Емкость
• Воздействие брызг
• Угол распыления
• Размер капли

Распыление

Выбор насадки по рисунку и др. характеристики распыления которые требуются, обычно дают хорошие результаты.^[2] Поскольку распылительные форсунки предназначены для работы в различных условиях распыления, более одной форсунки может соответствовать требованиям для данного применения. На поверхности можно наносить рисунок любой формы. Результаты довольно предсказуемы, в зависимости от выбранного типа распыления. Если поверхность неподвижна, предпочтительной насадкой обычно является какой-либо тип насадки с полным конусом, поскольку ее рисунок будет покрывать большую площадь, чем другие стили. Пространственные применения, в которых основной задачей не является распыление на поверхность, с большей вероятностью потребуют специальных характеристик распыления. Успех в этих применениях 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 технологических характеристик, которые могут во многом зависеть от качества распыления.

Распыление с плоским веером, сплошным конусом и полым конусом

Ниже описывается каждый тип распыления для типичных конечных применений.

Твердый поток

Этот тип сопла обеспечивает высокую ударную нагрузку на единицу площади и используется во многих областях очистки, например, в соплах для очистки резервуаров (фиксированных или вращающихся).

Полый конус

Этот рисунок распыления представляет собой круговое кольцо жидкости. Такой рисунок достигается за счет использования входного отверстия, касательного к цилиндрической вихревой камере, открытой с одного конца. Диаметр круглого отверстия на выходе меньше диаметра вихревой камеры. Вихревая жидкость приобретает круглую форму; центр кольца полый. Сопла 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 проходы для потока, которые обеспечивают относительно высокое сопротивление засорению. Сопла с полым конусом обеспечивают наименьшее распределение размера капель. Относительный диапазон размеров капель, как правило, уже, чем у других гидравлических типов.

Форма полого конуса также достигается за счет спиральной конструкции сопла. Это сопло сталкивает жидкость с выступающей спиралью. Эта спиральная форма разбивает жидкость на несколько полых конусов. Изменяя топологию спирали, можно заставить узоры полых конусов сходиться в один полый конус.

Полный конус

Форсунки с полным конусом обеспечивают полное покрытие распылением в области круглой, овальной или квадратной формы. Обычно жидкость закручивается внутри сопла и смешивается с не вращающейся жидкостью, которая обходит внутреннюю лопасть. Затем жидкость выходит через отверстие, образуя конический узор. Угол распыления и распределение жидкости внутри конуса зависит от конструкции лопатки и ее расположения относительно выходного отверстия. Конструкция выходного отверстия и относительные геометрические пропорции также влияют на угол распыления и распределение. Полноконусные форсунки обеспечивают равномерное распыление капель среднего и большого размера, что является результатом их конструкции сердцевины, которая имеет большие проходы для потока. Форсунки с полным конусом - это тип, наиболее широко используемый в промышленности.

Плоский спрей

Как следует из названия, форма распыления выглядит как плоский лист жидкости. Рисунок образован эллиптическим или круглым отверстием на отклоняющей поверхности, касательной к выходному отверстию. Отверстие имеет внешнюю канавку с контурным внутренним цилиндрическим радиусом или формой «кошачий глаз». В конструкции с эллиптическим отверстием узор распыляется из отверстия в соответствии с трубой. В конструкции дефлектора форма струи перпендикулярна трубе. Существует две категории плоских струй: коническая и равномерная, в зависимости от равномерности струи по форме струи. Плоские формы распыла с сужающимися краями создаются прямоточными эллиптическими форсунками. Этот рисунок распыления полезен для наложения рисунков между несколькими коллектором сопел. Результат - равномерное распределение по всей напыляемой поверхности. Плоские распылительные форсунки без сужения используются в тех случаях, когда требуется однородная форма распыления без перекрытия в области распыления.

Распыление с множественными шлейфами

Распыление с множественными шлейфами

В автомобильных инжекторах обычно используется несколько струйных струй. Множественные шлейфы в основном используются для обеспечения оптимального смешивания топлива и воздуха с целью уменьшения выбросов загрязняющих веществ в различных условиях эксплуатации. Автомобильные форсунки с несколькими шлейфами могут иметь от 2 до 8 шлейфов. Точное положение центра тяжести этих шлейфов, индивидуальные углы шлейфов и процентное распределение жидкости между шлейфами обычно получают с помощью оптического шаблонатор.

Емкость

Производители распылительных форсунок указывают в таблице производительность по воде. Поскольку удельный вес жидкости влияет на ее расход, значения должны быть скорректированы с использованием приведенного ниже уравнения, где Qw - водоемкость, а Spg - удельный вес используемой жидкости, в результате чего объемный расход используемой жидкости Qf.

${\displaystyle Q_{f}={Q_{w}}/{\sqrt {S{p_{g}}}}\ }$

Емкость сопла зависит от давления распыления. В общем, соотношение между емкостью и давлением выглядит следующим образом:

${\displaystyle {Q_{2}}={Q_{1}}{\sqrt {P_{2}/P_{1}}}}$

где Q1 - известная производительность при давлении P1, а Q2 - производительность, которую необходимо определить при давлении P2.

Воздействие распылением

Воздействие брызг на поверхность цели выражается как сила / площадь, Н / м.² или фунт / дюйм². Это значение зависит от распределения формы распыления и угла распыления. Обычно форсунки сплошной струи или плоские веерные форсунки с узким углом распыления используются для применений, в которых желательна высокая ударная нагрузка, например, для очистки. Когда для очистки используется сопло, удар или давление называется ударным. Как и в случае со всеми видами распыления, ударное воздействие агрегата уменьшается по мере увеличения расстояния от сопла, тем самым увеличивая размер области удара.

Воздействие брызг, ${\displaystyle F_{l}}$, зависит от объемного расхода Q и падения давления в соответствии с уравнением ниже. Тип сопла и расстояние между соплом и поверхностью влияют на постоянную C.

${\displaystyle {F_{l}}=CQ{\sqrt {\Delta P}}}$

Угол распыления и покрытие

Угол распыления расходится или сходится относительно вертикальной оси. Как показано на рисунке ниже, угол распыления имеет тенденцию уменьшаться или расходиться с увеличением расстояния от отверстия. Степень покрытия зависит от угла распыления. Теоретический охват C рисунков 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 протяжении распыления. Жидкости, более вязкие, чем вода, образуют меньшие углы распыления или твердые потоки, в зависимости от производительности сопла, давления распыления и вязкости. Жидкости с поверхностным натяжением ниже, чем у воды, образуют более широкий угол распыления, чем те, которые указаны для воды. Углы распыления обычно измеряются оптическими или механическими методами. Оптические методы включают теневую съемку, экстинкционную томографию и Mie Imaging.^[3] Углы распыления важны при нанесении покрытий для предотвращения чрезмерного распыления материалов с покрытием, в двигателях внутреннего сгорания для предотвращения намокания стенок цилиндров и в пожарных спринклерах для обеспечения адекватного покрытия защищаемого объекта.

Покрытие распылением

${\displaystyle {C}=2D\tan(\theta /2)}$

Размер капли спрея

Размер капель - это размер распыляемых капель, составляющих форму распыления форсунки.^[4] Все капли в одном спреи не одинакового размера. Есть несколько способов описать размер капель внутри спрея:

• Средний диаметр Саутера (SMD) или D32

• Тонкость распыления выражается в площади поверхности распыления.
• Диаметр капли с таким же отношением объема к площади поверхности, как общий объем всех капель к общей площади поверхности всех капель.

• Объемный средний диаметр (VMD) DV0,5 и массовый средний диаметр (MMD)

• Размер капель выражается в объеме распыляемой жидкости.
• Размер капель измеряется в единицах объема (или массы), при этом 50% общего объема распыляемых жидкостью капель имеют диаметр больше среднего значения и 50% - меньший диаметр.

Размеры капель указаны в микрометры (мкм). Один микрометр равен 1/25 400 дюйма.

Распределение размера капли

Размер и / или объемное распределение капель в аэрозольной упаковке обычно выражается размером в процентах к совокупному объему.

График распределения кумулятивных капель по размеру

${\displaystyle {RSF}={\frac {D_{V0.9}-D_{V0.1}}{D_{V0.5}}}}$

Коэффициент относительной шкалы

Сравнение распределения размеров капель из других сопел может сбивать с толку. Коэффициент относительной шкалы (RSF) сокращает распределение до единственного числа. Параметр указывает на равномерность распределения капель по размерам. Чем ближе это число к нулю, тем более однородным 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 капель по размеру.

Измерение размера капли

Спреи обычно характеризуются статистическими величинами, полученными при измерении размера и скорости множества отдельных капель. Наиболее широко используемыми величинами являются распределения плотности вероятности размера и скорости, а также потоки, например, число, масса, импульс и т. Д. Через заданную плоскость некоторые инструменты определяют такие статистические величины из отдельных измерений, например, числовую плотность по угасанию света, но очень немногие инструменты могут производить прямые измерения размеров и скорости отдельных капель в аэрозольной упаковке (Kalantari and Tropea, 2007). Три наиболее широко используемых метода измерения размера капель - это лазерная дифракция, оптическая визуализация и фазовый доплеровский анализ. Все эти оптические методы ненавязчивы. 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 основанные на потоке. Метод пространственной выборки измеряет капли в конечном измерительном объеме. Время пребывания капель в измерительном объеме влияет на результаты. Методы, основанные на потоке, непрерывно производят выборку по сечению измерения.

Лазерная дифракция,^[5] Метод пространственной выборки основан на принципе дифракции Фраунгофера, которая возникает из-за взаимодействия света с каплями в аэрозольной упаковке. Угол рассеяния дифракционной картины обратно пропорционален размеру капли. В этом ненавязчивом методе используется длинный цилиндрический объем оптического зонда. Рассеянный свет проходит через специальную систему трансформирующих линз и собирается на нескольких концентрических кольцах фотодиодов. Сигнал от фотодиодов используется для обратного расчета распределения капель по размерам. Ряд линз позволяют измерять от 1,2 до 1800 мкм.

В методе оптического изображения используется импульсный свет, лазер или стробоскоп для создания теневого графического изображения, используемого для определения размера капли в измерительном объеме. Этот метод пространственного измерения имеет диапазон от 5 мкм до 10 000 мкм с изменениями линзы и оптической конфигурации. Программное обеспечение для анализа изображений обрабатывает необработанные изображения, чтобы определить эквивалентный диаметр круглой капли. Этот метод лучше всего подходит для количественного определения капель большего диаметра в спреях средней и низкой плотности, непрозрачных жидкостях (суспензиях) и связках (частично сформированные капли).

Фазовый допплер,^[6] Метод, основанный на потоке, позволяет одновременно измерять размер и скорость частиц. 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 для более густых спреев. Диапазон размеров капель от 1 до 8000 мкм. В основе метода лежат скрещенные лазерные лучи, которые создают интерференционные картины (регулярный узор из светлых и темных линий) и освещают капли, проходящие через небольшую зону измерения. Серия из трех внеосевых детекторов собирает оптический сигнал, который используется для определения фазового угла и сдвига частоты, вызванного каплями.

Методы оптической визуализации и фазового допплера позволяют измерять размер отдельных капель. Необходимо количественно определить достаточное количество капель (порядка 10 000 капель), чтобы получить репрезентативное распределение и минимизировать влияние случайных колебаний. Часто необходимо несколько точек измерения в распылителе, поскольку размер капель варьируется в зависимости от поперечного сечения распылителя.

Факторы, влияющие на размер капли

Тип и объем сопла: Полноконусные форсунки имеют самый большой размер капли, за ними следуют плоские форсунки. Форсунки с полым конусом производят капли наименьшего размера. Давление распыления: Размер капли увеличивается при понижении давления распыления и уменьшается при повышении давления. Скорость потока: Скорость потока напрямую влияет на размер капель. Увеличение скорости потока приведет к увеличению падения давления и уменьшению размера капли, тогда как уменьшение скорости потока приведет к уменьшению падения давления и увеличению размера капли.

Угол распыления: Угол распыления имеет обратное влияние на размер капли. Увеличение угла распыления приведет к уменьшению размера капли, тогда как уменьшение угла распыления приведет к увеличению размера капли.

Жидкие свойства: Вязкость и поверхностное натяжение увеличьте количество энергии, необходимое для распыления спрея. Увеличение любого из этих свойств обычно приводит к увеличению размера капли.

В пределах каждого типа формы распыления наименьшая мощность дает самые маленькие капли распыления, а наибольшая мощность дает самые большие капли распыления. Объемный средний диаметр (VMD) основан на объеме распыляемой жидкости; поэтому это широко распространенная мера

Плотность поверхности капли распыления

Плотность поверхности капли является произведением площади поверхности распыляемой капли и количества капель в единице объема. Плотность поверхности очень важна при испарении и сжигании, поскольку скорость местного испарения сильно коррелирует с плотностью поверхности. Затухание света, вызванное каплями внутри спрея, также прямо пропорционально плотности площади поверхности. Двумя наиболее широко используемыми методами измерения удельной поверхности являются лазерная визуализация и статистическая томография экстинкции.^[7]

Практические соображения

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.

Повторяемость и точность сбора данных

Результат испытания на средний размер капли является повторяемым, если данные отдельных испытаний не отклоняются более чем на ± 10%; однако он может быть больше или меньше в зависимости от нескольких факторов. Для точности требуется первичный эталон, который недоступен для измерений распыления.

Предвзятость в инструментах и ​​отчетности

Чтобы сделать достоверное сравнение данных, особенно из разных источников, чрезвычайно важно знать тип используемого инструмента и диапазон, метод выборки и процентный объем для каждого класса размеров. Систематическая погрешность в инструментах и ​​отчетности напрямую влияет на данные о размере капли.

Рассмотрим приложение

Выберите средний размер капли и интересующий диаметр, которые лучше всего подходят для применения. Если цель состоит в том, чтобы просто сравнить размер капель альтернативных сопел, тогда достаточно отчета VMD или SMD. При необходимости следует использовать дополнительную информацию, такую ​​как RSF, DV90, DV10 и другие.

Рекомендации

1. А. Х. Лефевр, Распыление и распыление, 1989, ISBN  0-89116-603-3
2. Липп, Чарльз В., Практическая технология распыления: основы и практика, 2012 г., ISBN  978-0-578-10090-6
3. Сиватану и др., Распыление и распыление, т. 20. С. 85-92.
4. Рудольф Дж. Шик, Практическое руководство инженера по размеру капли Spraying Systems Co. [2009]
5. Э. Дэн Хирлеман, У. Д. Бачало, Филип Дж. Фентон, редакторы, Методы измерения размера жидких частиц, 2-й том, ASTM STP 1083, 1990
6. ОН. Альбрехт, М. Борис, Н. Дамашке, К. Тропеа, Методы лазерного и фазового допплеровского измерения, 2003, ISBN  3-540-67838-7
7. Лим, Дж. И Сиватану, Ю., "Оптическая структура форсунки для распыления топлива с несколькими отверстиями", Распыление и распыление, т. 15. С. 687-698, 2005.