Теория распыления
Процессы распыления жидкостей и применяемые для этого устройства (распылители, форсунки) широко применяются в различных областях техники — в камерах сгорания газотурбинных и воздушно-реактивных двигателей, в топочных устройствах, в химической и пищевой промышленности (сушка распылением и др.). Они применяются в сельскохозяйственных опрыскивателях для химической защиты растений, искусственного дождевания, в ветеринарии — для защиты животных от вредителей, для аэрозольной вакцинации животных, в санитарии — для борьбы с гнусом, насекомыми — переносчиками болезней, в медицине — для аэрозольной терапии, ингаляции и других лечебных процедур.
Для распыления жидкости обеспечивают, тем или иным способом, увеличение площади ее удельной поверхности — образование тонких жидких пленок. При этом обеспечивают создание высоких скоростей движения распыляемой жидкости относительно окружающей среды. Тонкие жидкие нити и пленки неустойчивы и достаточно легко распадаются под действием этих сил. Силы вязкости, сказывающиеся при быстрых деформациях жидкости, тормозят распад ее на мелкие частицы. Турбулентные пульсации скорости жидкости способствуют распаду жидкостей на мелкие частицы. Образовавшиеся под действием внешних сил и турбулентных пульсаций мелкие частицы жидкости принимают сферическую форму под действием сил поверхностного натяжения (которые также способствуют распаду жидких нитей и пленок). В результате при распылении жидкости образуется множество мелких капелек, размер которых в зависимости от условий распада может варьировать от долей микрона до нескольких миллиметров.
В случае, когда процесс образования жидкой нити или пленки происходит упорядоченно (что обычно имеет место при ламинарном движении жидкости, т. е. при малых ее расходах), возможен распад жидкой пленки на капли приблизительно одинакового размера. Такое дробление жидкости именуется монодисперсным.
При обычных технических процессах расходы жидкости значительны, движение распыляемой жидкости турбулентное, жидкость распадается неупорядоченно на пленки различных размеров, и в результате жидкость дробится на капли различных размеров. Такое дробление жидкости именуется полидисперсным распылением, при котором образуется система капель с распределением размеров, соответствующим тому или иному статистическому закону.
Обратимся к современной теории распыления жидкостей.
За основу было принято представление о распаде жидкой струи в результате ее неустойчивости под действием малых случайных возмущений с определенной длиной волны. Эта теория удовлетворительно согласуется с экспериментальными данными, но применима только к ламинарным струям, т. е. к тонким струям, движущимся медленно.
Развитие теории не привело до сих пор к убедительному количественному анализу процессов распыления жидкостей при, турбулентном движении жидкости и среды и к созданию соответствующих, практически приемлемых методов расчета распылителей.
Поэтому, для удовлетворения «практических нужд», исследователи шли по пути создания эмпирических методов расчета, относящихся к конкретным типам распылителей и к определенному диапазону изменения параметров распылителя, распыляемой жидкости и окружающей среды.
В настоящее время существует большое разнообразие конструктивных типов распылителей. Различают механическое, электрическое и газовое распыление. К механическим распылителям относятся струйные форсунки (с цилиндрическим соплом, с щелевым соплом, ударного типа, с ударяющимися струями) центробежные форсунки, акустические форсунки с подводом энергии через жидкость, вращающиеся распылители. К газовым распылителям относятся воздушные распылители и акустические распылители с подводом энергии через газ.
Центробежные распылители находят широкое применение в современных распылительных устройствах, что объясняется простотой их конструкции, надежностью и эффективностью распыления.
Основное отличие центробежного распылителя от распылителей других типов состоит в том, что жидкость, протекающая через него, закручивается, т. е. приобретает момент количества движения относительно оси сопла.
Схема центробежного распылителя приведена на рис. 1.
Жидкость под давлением нагнетается через входной канал 1 в камеру закручивания 2, где интенсивно вращается. При выходе из сопла 3 жидкость образует коническую пленку, становящуюся все тоньше по мере удаления от сопла. Эта пленка неустойчива и под действием аэродинамических сил и поверхностного натяжения распадается на капли.
Вблизи оси сопла 3 скорость жидкости возрастает, а давление снижается, но лишь до тех пор, пока не станет равным давлению той среды, в которую вспрыскивается жидкость.
Ниже атмосферного давление жидкости снижаться не может, так как через сопло 3 распылитель сообщается с атмосферой. В действительности центральная часть сопла 3 заполнена не жидкостью, а воздухом в этой части сопла располагается воздушный вихрь.
Центробежный распылитель при выбранном давлении подачи должен обеспечить требуемый расход жидкости при этом желательно свести к минимуму потери энергии, так как с их ростом снижается скорость истечения жидкости из форсунки и ухудшается качество распыления.
Рис. 2. Форсунки:
а — центробежная с тангенциальным вводом жидкости;б — с винтовым вкладышем;
в — ударная; г — с взаимным ударом двух струй.
Центробежное распыление происходит при вращении жидкости, вызванном либо ее тангенциальным вводом (рис. 2,а), либо движением по спиральным каналам (рис. 2,6). В ударных (отражательных) форсунках распыление происходит или в результате удара струи жидкости о препятствие (рис. 2, в), или при взаимном ударе двух жидких струй (рис.2,г). Описанные типы форсунок дают полый факел, в котором у периферии создается максимальная плотность орошения, а в направлении к центру она быстро падает почти до нуля.
Для получения сплошного заполненного факела распыла с равномерной плотностью орошения применяют полноконусные форсунки. В этих форсунках жидкость делится на два потока: одному потоку сообщается вращательное движение, а другой направляется непосредственно к выходному отверстию. Перед выходом из этого отверстия происходит соударение потоков, приводящее к заполнению центральной области жидкостью.
Форсунки характеризуются производительностью, углом конусности факела распыла, распределением жидкости по сечению и дисперсностью капель.
При распылении жидкости форсунками получается полидисперсный распыл с каплями различных размеров.
Распределение капель по размеру имеет вероятностный характер и описывается кривой распределения, строящейся по опытным данным.
