Гидравлическое распыление самое экономичное (затрачивается от 2 до 4 кВт на 1 тонну жидкости), однако создаваемый при этом распыл довольно грубый и неоднородный. Затруднено регулирование расхода жидкости при заданном качестве дробления, а также распыление высоковязких жидкостей в холодном состоянии. Вместе с тем этот способ наиболее широко распространен вследствие сравнительной его прос-тоты.
Механическое распыление осуществляется с помощью механизмов, вращающихся от специального привода. Жидкость приобретает кинетическую энергию вследствие действия центробежных сил. Как и в случае гидравлического распыления, в зависимости от конструкции распыляющего механизма (диск, стакан, конус и др.), дроблению подвергается струя или пленка жидкости. Характер дробления жидкости в данном случае в значительной мере определяется её расходом. При очень малом расходе на кромке вращающегося диска возникает жидкий тор, который под действием центробежных сил деформируется и на нём образуются шаровидные узлы, затем они отрываются в виде отдельных капель. При увеличении расхода эти узлы вытягиваются в тонкие струи и нити [5]. Число нитей увеличивается, достигая постоянной величины. При дальнейшем увеличении расхода нити не могут пропустить всю жидкость из тора, жидкость сбрасывается с кромки и образует пленку. Вначале эта пленка вытягивается на определенное расстояние от кромки, а далее распадается на нити и крупные капли. К достоинствам этого способа следует отнести возможность распыления высоковязких и загрязненных жидкостей и широкого регулирования производительности распылителя без существенного изменения дисперсности. Основные недостатки вращающихся распылителей: высокая стоимость, сложность в изготовлении и эксплуатации, большая энергоемкость (15 кВт на 1 тонну жидкости) и, кроме этого, наличие вентиляционного эффекта. Механическое распыление используют главным образом для дробления вязких жидкостей и суспензий.
В случае пневматического распыления диспергирование является следствием динамического взаимодействия потока распыляемой жидкости с потоком распыляющего газа (пара) [7, 8]. Последний выходит из канала с большой скоростью (от 50 до 300 м/с), скорость же истечения струй жидкости невелика. При большой относительной скорости потоков между струями газа и жидкости возникает трение, вследствие чего струя жидкости, будучи как бы закрепленной с одной стороны, вытягивается в отдельные тонкие нити. Эти нити в местах утончения быстро распадаются и образуют мелкие капли. Длительность существования статически неустойчивой формы в виде нитей зависит от скорости газа и физических свойств жидкости. Чем больше скорость, тем тоньше нить, тем меньше период её существования и тем более мелким получается распыл. К достоинствам пневматического способа относятся: малая, по сравнению с гидравлическим, зависимость качества распыления oт расхода жидкости, надежность в эксплуатации, возможность распыления высоковязких жидкостей. Недостатки: повышенный расход энергии на распыление (от 50 до 60 кВт на 1 тонну жидкости), необходимость в распыляющем агенте и в связанном с ним оборудовании.
При электрическом распылении струя (пленка) жидкости подаётся в область сильного электрического поля [9]. Под действием этого поля на поверхности жидкости происходит некоторое распределение давления, которое деформирует струю. Деформации могут достичь большой амплитуды и привести к образованию тонких струй, которые затем дробятся [10]. Недостатки электрического распыления: необходимость в громоздком и дорогостоящем оборудовании, его высокая энергоёмкость, а также весьма незначительная производительность и сложность обслуживания. Вместе с тем этот метод находит применение в некоторых распылительных сушилках и в процессах окраски поверхностей методом распыления.
Ультразвуковое распыление может осуществляться по двум схемам [3, 11]. В одном случае струя (пленка) жидкости подается на колеблющийся элемент пьезоэлектрического или магнитострикционного генератора, в другом она подвергается действию ультразвуковых колебаний воздуха [12]. По сущности протекающих процессов – это два различных способа, которые объединяет лишь наложение на жидкость колебаний сверхзвуковых частот. Поэтому первый способ распыления называется ультразвуковым, а второй – акустическим. В указанных распыляющих устройствах под действием ультразвука в жидкой среде происходит комплекс физических и физико-химических процессов, к числу которых, в первую очередь, относят кавитацию, звуковое давление, акустическое течение [13]. Воздействие звукового излучения и звукового давления приводит к отрыву отдельных капель с гребней микроволн. Распаду струи способствует интенсивное образование кавитационных зон [14].
Явление кавитации связано с большой чувствительностью жидкостей к растягивающим усилиям. При прохождении фазы разряжения ультразвуковой волны в жидкости возникает большое количество разрывов в виде мельчайших полостей (каверн), называемых кавитационными пузырьками. Образовавшиеся пузырьки в следующем полупериоде сжатия резко захлопываются. Причем, если одиночный пузырек расширяется сравнительно медленно, то сжимается он особенно в последней стадии чрезвычайно быстро [15]. При захлопывании кавитационной полости пар не успевает конденсироваться на её поверхности, давление и температура в полости резко возрастают, достигая значений 3·105 кПа и 6000 К. Пар, сжатый в микрообъеме полости, стремительно расширяется, и в жидкости возникает ударная волна, подобная точечному взрыву, приводящая к тонкому дроблению струи (пленки) жидкости (размер капель при этом составляет от 120 до 20 мкм и менее). Недостатками пьезоэлектрических и магнитострикционных устройств являются: их малая производительность (от 0,5 до 6 л/ч) и необходимость сложного дорогостоящего оборудования.
В акустических распылителях используют неустойчивость газовой струи, с которой соприкасается струя или пленка жидкости. Колебания газовой струи резко увеличиваются в результате различных волновых явлений, возникающих в жидкости, особенно в резонансной области. Последние приводят к значительно более тонкому дроблению жидкости, чем обычное пневматическое распыление. Так, отмечается в работе [15], если для уменьшения размера капель со 120 до 110 мкм при пневматическом распылении требуется увеличить энергию на
5 Вт/кг жидкости, то при акустическом распылении только на 0,15 Вт/кг, т.е. в 30 раз меньше. Таким образом, аэродинамическое ультразвуковое распыление, сохраняя все недостатки пневматического распыления, является более экономичным и перспективным. Однако конструкция ультразвуковых распылителей значительно сложнее.
Пульсационное распыление заключается в том, что возмущения, вызывающие дробление струи (пленки) жидкости, усиливаются за счет пульсаций давления и изменения расхода, которые создаются периодическим перекрытием проходных каналов (или соплового отверстия) распылителя. Пульсации давления приводят к увеличению поверхностной энергии струи, быстрой потере устойчивости и как следствие к более тонкому распылению, чем при первых трех способах. Пульсационное распыление может сочетаться с любым из рассмотренных выше способов, т.е. может быть реализовано пульсационно-гидравлическое, пульсационно-механическое, пульсационно-пневматическое распыление и т.д. При этом преимущества того или иного способа дополняются повышением качества и однородности дробления, происходящем в ряде случаев без увеличения энергозатрат и при незначительном усложнении конструкции распылителей. Таким образом, пульсационное распыление является весьма перспективным. Вместе с тем этот способ диспергирования жидкостей практически еще не изучен.
Анализ способов распыления жидкостей [16–19] позволяет сделать следующие выводы:
– течение жидкости перед распылением должно быть преобразовано в такие формы (струя, пленка), которые обладают наибольшей поверхностной энергией, а поэтому неустойчивы и быстро распадаются;
– распыление жидкости при любых способах обусловлено потерей устойчивости течения в струях или пленках в связи с возникновением на поверхности раздела жидкости и газа неустойчивых волн;
– в зависимости от конкретных условий производства и требований к качеству и дисперсности готового продукта наиболее экономичным может оказаться любой способ распыления.
1.3 Конструкции распылителей
Способ распыления зависит от конструкции распыляющего устройства. Каждый из распылителей имеет свои преимущества и недостатки, связанные с особенностями дробления подводимой струи жидкости, с учетом которых можно выбрать наиболее целесообразную конструкцию распылителя для конкретных условий его работы. По конструктивному выполнению основных элементов эти устройства можно разделить на следующие классы.
Струйные форсунки являются наиболее простыми в конструктивном оформлении и представляют собой цилиндрическую трубку, из которой под давлением вытекает струя жидкости, распадающаяся на капли и образующая факел с малым углом при вершине.
В центробежных форсунках движущаяся под давлением жидкость закручивается в завихрителе с тангенциально расположенными каналами (ось каналов перпендикулярна или размещена под углом к оси форсунки, но не пересекается с ней) и за счет создаваемого интенсивного вращательного движения в камере поступает в сопло, на выходе из которого распадается на мелкие капли, приобретая форму полого конуса. Для образования такого факела жидкость в форсунку подводится под давлением. Диапазон изменения давления зависит, главным образом, от требуемой дисперсности распыла, физических свойств жидкости и размеров дозирующих элементов. Вследствие высокого давления жидкости на входе в центробежную форсунку размеры её сопла и тангенциальных каналов обычно находятся в пределах от 0,5 до 3 мм. Форсунки широко применяются для распыления однородных маловязких жидкостей. Разновидностью центробежных форсунок являются шнековые форсунки. Отличительный признак этих форсунок состоит в том, что закручивание жидкости производится с помощью завихрителя, выполненного в форме шнека, на поверхности которого расположены винтовые каналы.