3.3.10. Распыливание жидкостей

Распыливание - это процесс дробления струи или пленки жидкости на большое количество капель. Система капель, или факел распыла, распределяется в некотором объеме. При распыле капли имеют неодинаковые размеры. Равно-мерность распыла оценивают по дисперсным характеристикам. Строится также интегральная (суммарная) кривая распределения капель по размерам; она позво-ляет определить относительное число капель, диаметры которых меньше задан-ного. Дисперсные характеристики распыла для данной конструкции распылителя (форсунки) определяют экспериментально, подсчитывая число капель разных диаметров. В последнее время для определения дисперсных характеристик приме-няют голографирование факела распыла, подсчет числа капель и определение их диаметра автоматизированы с использованием телевидения и ЭВМ. Экспери-ментальные данные обобщают уравнениями в критериальной форме, причем используются безразмерные числа (критерии) подобия, учитывающие соотно-шение сил поверхностного натяжения, инерции и трения.

Важная характеристика факела распыла - распределение плотности ороше-ния распыливаемой жидкости q, кг/(м²с) по ширине факела. Эксперименты показывают, что для струйной форсунки распределение плотности орошения близко к нормальному (гауссову) закону.

Подводимая к распылителю энергия Е расходуется на увеличение повер-хностной энергии жидкости при распаде струи на капли Е_р; на сообщение каплям кинетической энергии поступательного движения Е_к; на преодоление гидрав-лических потерь в распылителе. Отношение Е_р / Е = _р называется коэффи-циентом полезного действия распылителя. Обычно он не превышает долей процента. При гидравлическом распыливании жидкость, подаваемая под дав-лением к распылителю, вытекает с высокой скоростью в форме струи или пленки с последующим распадом на капли. Гидравлическое распыливание - наиболее простой и экономичный способ, однако он дает довольно грубый и неоднородный распыл; затруднено распыливание этим способом высоковязких жидкостей.

При истечении через простейший распылитель - цилиндрическое сопло - с малой скоростью струя распадается на капли из-за действия пережимающих ее капиллярных сил и из-за волнообразных искривлений струи. При большой скорости струи относительно газовой среды основная причина распада струи - это турбулентные пульсации скорости и давления на границе раздела «жидкость – газ», приводящие к появлению гребней волн и срыву с них вторичных струек и капель. Плоские пленки, истекающие из сопел некруглого сечения, распадаются на отдельные струйки и затем на капли из-за появления волн на их поверхности.

Гидравлические распылители. Скорость истечения через струйную форсунку определяется в соответствии с данными гидравлики формулой w= (2p/_ж)^0,5 При сравнительно небольшой скорости истечения (до 20 м/с), согласно эксперимен-тальным данным, среднеобъемный диаметр капель определяется выражением

d_об / d_c = 6 Re ^0,125 ,

где d_c - диаметр сопла.

К гидравлическим распылителям относятся также центробежные форсунки, в которых жидкость перед истечением закручивается вследствие подвода по касательной к камере или шнеком (винтовым завихрителем). Широко применя-ются также центробежно-струйные форсунки, в которых распыливаемая жидкость частично проходит через винтовые каналы и частично - через осевое отверстие. Завихрение потока способствует его турбулизации и дроблению.

Пневматическое распыливание. При пневматическом распыливании жид-кость подается с небольшой скоростью; энергия для распыла подводится к ней в результате динамического взаимодействия с высокоскоростным газовым пото-ком, который формирует волны на поверхности раздела жидкость - газ, расслаивает ее на отдельные струйки и капли. Пневматические форсунки дают мелкодисперсный распыл, однако их недостаток по сравнению с гидравлическими - более сложное оборудование (включающее источник сжатого газа) и повышенный расход энергии на распыливание. Дисперсность распыла (медианный диаметр капель) при пневматическом распыливании определяется, прежде всего, скоростью газожидкостного потока w_г.

Другие способы распыливания. При механическом распыливании жидкость подается на поверхность быстровращающегося диска, увлекается им и срывается с периферии в виде пленок или струй, дробясь на капли. Этот способ обеспечивает относительно высокую равномерность распыла, дает возможность распыливать высоковязкие и загрязненные жидкости. Его недостатки - высокая стоимость и энергоемкость.

При акустическом распыливании, как и при пневматическом, энергия для распыливания сообщается жидкости потоком газа, причем к газовой струе подводятся колебания ультразвуковой частоты, что обеспечивает более тонкое и однородное дробление.

Пульсационное распыливание представляет собой разновидность гидравли-ческого, когда на поток распыливаемой жидкости накладываются колебания давления. Это обеспечивает большую однородность и тонкость распыла при незначительном усложнении конструкции. Применяются также комбинирован-ные методы распыливания, в которых сочетаются отдельные из перечисленных (например, пневмогидравлическое распыливание).