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Nozioni fondamentali sugli ugelli spruzzatori

Come funziona il processo di spruzzatura, quali sono le applicazioni dei nostri prodotti, quali sono le caratteristiche tecniche degli ugelli e le tecniche di produzione dello spruzzo.

Il processo di atomizzazione

Il processo di atomizzazione di un liquido può sommariamente essere descritto in due fasi, vale a dire:

1. la rottura della vena fluida in gocce
2. l’invio di queste ultime contro una superficie o un oggetto per ottenere il risultato desiderato.

Queste informazioni sul processo di spruzzatura di un liquido non sono dettagliate. Infatti, in base al tipo di applicazione si utilizzano ugelli diversi, con diversi angoli di spruzzo e portate.

Applicazioni

Spruzzare un liquido usando un ugello spruzzatore può servire a diversi scopi, tra i quali i più importanti sono:

Raffreddamento
Trasferimento di calore spruzzando liquidi sulla superficie dei prodotti come il raffreddamento rapido di colate continue in acciaieria

Umidificazione
Spruzzatura di piccole quantità di liquido sulla superficie di prodotti in ambienti speciali per aumentare l’umidità relativa. Una tipica applicazione: umidificazione delle fibre tessili.

Rivestimento
Applicazione di liquidi o rivestimenti sulla superficie dei cibi. Per es.: spruzzatura di olio sul pane.

Trattamento alimentare
Spruzzatura di ingredienti o sostanze sui prodotti per velocizzare alcune naturali reazioni chimiche. Ad es.: aggiunta di fruttosio nei succhi di frutta.

Lavaggio
Rimozione dello sporco dalle superfici spruzzando liquidi ad alta pressione, come, ad esempio, negli autolavaggi a tunnel.

Controllo inquinamento
Uso di liquidi di lavaggio atomizzati per catturare particelle e/o gas inquinanti in goccioline liquide, come negli scrubber a umido e torri di lavaggio.

Caratteristiche tecniche degli ugelli

Diverse caratteristiche tecniche devono essere prese in considerazione per selezionare l’ugello corretto per una determinata applicazione.

1. Efficienza dell’ugello

Un ugello è un dispositivo che converte l’energia di pressione di una vena fluida nell’energia cinetica delle goccioline spruzzate. L’efficienza di un ugello è il rapporto tra energia del getto ed anergia assorbita. L’energia è usata per aumentare la velocità del liquido e creare lo spruzzo, la differenza è l’energia persa durante il processo per l’attrito. In base al tipo di ugello, e per superfici accuratamente lavorate, l’efficienza di un ugello varia tra il 55% e il 95% per i tipi comunemente usati nei processi industriali. Ciò non vale nel caso degli atomizzatori ad aria compressa che necessitano di un’energia molto più alta a causa delle perdite conseguenti al trasferimento di energia dall’aria compressa al liquido.

2. Dimensioni delle gocce

La dimensione delle gocce dipende dalla struttura dell’atomizzatore, dall’intensità di energia del liquido, tensione superficiale e densità del liquido. Le dimensioni delle gocce atomizzate non è uniforme. Pertanto, la dimensione media delle gocce diventa un fattore importante. Per es., la dimensione delle gocce nelle torri di raffreddamento gas è estremamente importante. Se sono troppo grandi non evaporano completamente e causano il malfunzionamento del collettore polveri. Viceversa, se le gocce sono troppo piccole, non si può abbassare la temperatura al livello voluto e i collettori di polveri si possono bruciare a causa dell’alta temperatura.

Esistono quattro modi per esprimere la dimensione delle gocce: il Diametro Medio Sauter (DMS) è il più comunemente usato. Si riferisce al rapporto volume/area superficie di una goccia ed è spesso indicato come D32, μm(Micron) unit. (1μm=10-3 mm ).

1 | DIAMETRO MEDIO ARITMETICO
Valore di diametro che, moltiplicato per il numero di goccioline contenute nel campione, è uguale alla somma dei diametri di tutte le goccioline.

2 | DIAMETRO MEDIO SUPERFICIE
Diametro di una gocciolina la cui superficie, moltiplicata per il numero totale delle goccioline, è uguale alla somma delle superfici di tutte le goccioline.

3 | DIAMETRO MEDIO VOLUME
Diametro di una gocciolina il cui volume, moltiplicato per il numero totale delle goccioline, è uguale alla somma dei volumi di tutte le goccioline.

4 | DIAMETRO MEDIO SAUTER (D32)
Diametro di una gocciolina il cui rapporto volume/area è uguale al rapporto tra la somma dei volumi di tutte le goccioline diviso per la somma delle superfici di tutte le goccioline.

3. Angolo di spruzzo

L’angolo di spruzzo è l’angolo formato dal cono di liquido che esce dall’orifizio di un ugello. L’ampiezza dell’angolo di spruzzo e la distanza fra l’orifizio e la superficie bagnata determinano l’area di copertura dello spruzzo. All’aumentare della distanza fra l’orifizio e la superficie l’effetto della forza di gravità modifica l’angolo originale.

4. Forza d’impatto

La forza di impatto è la forza generata dal getto d’acqua deviato dalla superficie di impatto ed è espressa in Kg/cm2 od in lb/inch2. L’uniformità di una forza di impatto e della distribuzione del getto influenzano l’effetto di lavaggio. Alle stesse condizioni operative (stessa pressione e portata), diversi tipi di ugelli possono essere usati per eseguire un test di forza di impatto ed i risultati sono riportati qui di seguito.

5. Distribuzione

Gli ugelli sono progettati per distribuire lo spruzzo con geometrie diverse. Tali geometrie di spruzzo possono essere a dardo, a cono pieno, a cono cavo, a getto piatto, con getto piatto a lingua. Il design di un ugello mira alla uniformità ed alla forza d’impatto del getto spruzzato, sia che gli ugelli vengano utilizzati singolarmente o sovrapposti.

Getto piatto
distribuzione convessa

Getto piatto
distribuzione uniforme

Cono pieno
distribuzione convessa

Cono pieno
distribuzione uniforme

Cono cavo
distribuzione concava

Dardo
distribuzione in un unico punto

Tecniche di produzione dello spruzzo

Molte diverse tecniche di idrodinamica possono essere usate per produrre uno spruzzo e la maggior parte di esse sono oggi utilizzate per ugelli da utilizzare nei processi industriali.

Ugelli a pressione

Questo è il tipo più semplice di ugello in cui un orifizio si apre in una camera nella quale viene inviato in pressione il liquido da spruzzare.
Lo spruzzo esce attraverso l’orifizio con una determinata forma del getto, portata e angolo di spruzzo, a seconda del profilo del bordo dell’orifizio e della forma della camera di pressione interna.
Tipici ugelli a pressione sono gli ugelli a dardo serie G e gli ugelli a getto piatto ad alta pressione serie F.

Ugelli a turbolenza

Gli ugelli a turbolenza utilizzano vorticatori interni di forma speciale che forzano il liquido in pressione in una camera di vorticazione che lo fa ruotare ad alta velocità. Ciò rompe il liquido in uscita dall’orifizio dell’ugello in tante goccioline atomizzandolo ad alta velocità.
Differenti geometrie interne e differenti forme di vorticatori producono differenti geometrie di spruzzo : a cono cavo, a cono pieno circolare, quadrato od ellittico. Tipici ugelli a turbolenza sono gli ugelli a cono vuoto serie RA e gli ugelli a cono pieno serie D.

Ugelli a impatto

In questo caso la forma di spruzzo desiderata si ottiene dall’impatto del getto liquido su una superficie opportunamente progettata. Il getto liquido viene successivamente trasformato in una lamina fluida e poi frazionato in gocce con la forma di spruzzo desiderata all’uscita dall’ugello.
Tipici ugelli a impatto sono gli ugelli a getto piatto serie K, gli ugelli a cono pieno a spirale serie E, e gli ugelli a cono cavo serie RC.

Ugelli ad aria compressa

In base al tipo di alimentazione del liquido, questi ugelli possono essere di due tipi:

Ugelli a pressione

Ugelli a sifone

Atomizzatori ad aria compressa

Gli atomizzatori ad aria compressa usano il loro particolare design e il gas pressurizzato per atomizzare un liquido e frazionarlo in piccolissime gocce (dimensione media più piccola: 10 micron).

Atomizzatori ultrasonici

Atomizzatori ultrasonici: sono un particolare tipo di atomizzatori ad aria compressa. Di fronte all’orifizio dell’ugello hanno un generatore ultrasonico in titanio che usa l’energia dell’impatto ad alta velocità per produrre una oscillazione ad alta frequenza che micro-atomizza il liquido. Il loro speciale design produce gocce piccolissime e uniformi (dimensione media particella più piccola: 7 Micron). I vantaggi sono vitali per molte applicazioni.

Gli atomizzatori ultrasonici hanno due fasi di atomizzazione.
1 | Fase 1: i liquidi si miscelano con aria compressa e producono uno spruzzo finemente atomizzato.
2 | Fase 2: quando le goccioline atomizzate colpiscono il generatore ultrasonico vengono ulteriormente atomizzate in goccioline finissime.