Характеристики распыления - Spray characteristics

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

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

Распыление

Выбор сопла на основе рисунка и других требуемых характеристик распыления обычно дает хорошие результаты. Поскольку распылительные форсунки предназначены для работы в различных условиях распыления, более одной форсунки могут соответствовать требованиям для конкретного применения. На поверхности можно наносить рисунок любой формы. Результаты довольно предсказуемы, в зависимости от выбранного типа распыления. Если поверхность неподвижна, предпочтительным соплом обычно является сопло с полным конусом, так как его рисунок будет покрывать большую площадь, чем другие стили. Пространственные применения, в которых основной задачей является не 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.

Ниже приводится описание каждого вида распыления с учетом типичных применений для конечного использования.

Твердый поток

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

Полый конус

Этот рисунок распыления представляет собой круговое жидкое кольцо. 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. Форсунки с полым конусом лучше всего подходят для применений, требующих хорошего распыления жидкостей при низком давлении или когда требуется быстрая теплопередача. Эти форсунки также имеют большие и беспрепятственные проходы для потока, которые обеспечивают относительно высокое сопротивление засорению. Сопла с полым конусом обеспечивают наименьшее распределение размеров 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 единый полый конус.

Полный конус

Форсунки с полным конусом обеспечивают полное покрытие распыла в области круглой, овальной или квадратной формы. Обычно жидкость закручивается внутри сопла и смешивается с не вращающейся жидкостью, которая миновала внутреннюю заслонку. 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. Форсунки с полным конусом 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 представляет собой 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 форсунок. Результат - равномерное распределение по всей напыляемой поверхности. Плоские распылительные форсунки без сужения используются при очистке, когда требуется равномерное распыление без перекрытия в области распыления.

Множественный спрей с шлейфом

В автомобильных форсунках обычно используется несколько струйных струй. Несколько шлейфов 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 расположение центра тяжести этих шлейфов, индивидуальные углы шлейфов и процентное распределение жидкости между шлейфами обычно получают с помощью оптического формирователя рисунка .

Емкость

Производители распылительных форсунок приводят в таблице производительность по воде. Поскольку удельный вес жидкости влияет на ее скорость потока, 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.

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

Мощность форсунки 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 целевую поверхность выражается как сила на площадь, Н / м ² или фунт / дюйм ² . 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, удары агрегата уменьшаются по мере увеличения расстояния от сопла, тем самым увеличивая размер зоны удара.

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

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

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. Покрытие распылением 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 форсунки, давления распыления и вязкости. Жидкости с поверхностным натяжением ниже, чем у воды, образуют более широкий угол распыления, чем указанные для воды. Углы распыления обычно измеряются оптическими или механическими методами. Оптические методы включают теневую съемку, экстинкционную томографию и визуализацию Mie. Углы распыления важны при нанесении покрытий для предотвращения чрезмерного распыления материалов с покрытием, в двигателях внутреннего сгорания для предотвращения смачивания стенок цилиндров и в пожарных спринклерах для обеспечения адекватного покрытия защищаемого объекта.

${\ Displaystyle {C} = 2D \ загар (\ theta / 2)}$

Размер капли спрея

Размер капель - это размер распыляемых капель, составляющих форму распыления форсунки. Не все капли в одном спреи имеют одинаковый размер. Есть несколько способов описать размер капель внутри спрея:

• Средний диаметр Sauter (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 микрометрах (мкм). Один микрометр равен 1/25 400 дюйма.

Распределение капель по размеру

Размер и / или объемное распределение капель в аэрозольной упаковке обычно выражается размером в процентах от совокупного объема.

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.

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

Измерение размера капли

Распыления 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 выводят такие статистические величины из отдельных измерений, например, числовую плотность по угасанию света, но очень немногие инструменты способны производить прямые измерения размера и скорости отдельных капель в брызгах (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 больших и меньших 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 поперечному сечению измерения.

Лазерная дифракция, метод пространственного отбора проб, основывается на принципе дифракции Фраунгофера, которая возникает из-за взаимодействия света с каплями в аэрозольной упаковке. Угол рассеяния дифракционной картины обратно пропорционален размеру капли. Этот ненавязчивый метод использует 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 выполнять 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 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 для определения эквивалентного диаметра 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 доплер - метод, основанный на потоке, - одновременно измеряет 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 этого 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.

Оптическая визуализация и методы 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 требуется несколько точек измерения в распылителе, поскольку размер капель варьируется в зависимости от поперечного сечения распылителя.

Факторы, влияющие на размер капли

Тип и производительность форсунки : форсунки с полным конусом имеют самый большой размер капли, за ними следуют плоские форсунки. Форсунки с полым конусом производят капли наименьшего размера. Давление распыления : размер капли увеличивается при более низком давлении распыления и уменьшается при повышении давления. Скорость потока : скорость потока напрямую влияет на размер капли. Увеличение скорости потока приведет к увеличению падения давления и уменьшению размера капли, в то время 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.

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 формы распыления наименьшая производительность дает наименьшие капли распыления, а наибольшая емкость дает наибольшие капли распыления. Объемный средний диаметр (VMD) основан на объеме распыляемой жидкости; следовательно, это общепринятая мера

Плотность поверхности капли спрея

Плотность поверхности капли является произведением площади поверхности капли распыляемой жидкости и количества капель на единицу 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 плотности площади поверхности являются лазерная визуализация и статистическая томография экстинкции.

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

Для проведения достоверных сравнений данных, особенно из разных источников, чрезвычайно важно знать тип используемого инструмента и диапазон, метод выборки и процентный объем для каждого класса размеров. Систематическая ошибка, связанная с инструментарием и отчетностью, 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 капли альтернативных сопел, тогда отчета VMD или SMD будет достаточно. При необходимости следует использовать дополнительную информацию, такую ​​как RSF, DV90, DV10 и другие.

использованная литература