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Generazione dello spruzzo

Come funziona l’atomizzazione negli ugelli?

Per comprendere appieno l’importanza della dimensione delle gocce, è importante per prima cosa acquisire il meccanismo per il quale queste gocce vengono generate.

Il diagramma mostra l’idealizzazione del processo che genera le goccioline mentre il getto d’acqua che esce dall’ugello si sta rompendo.

Il modello teorico, la cui esattezza è confermata dalla ricerca scientifica, considera che il liquido che scorre attraverso l’ugello ed esce passando attraverso il bordo dell’orifizio genera una lamina liquida

Tale lamina, a causa dell’instabilità indotta da forze aerodinamiche, ovvero dovute alla resistenza che l’aria circostante oppone al moto delle gocce, si rompe prima in filamenti allungati di forma più o meno cilindrica, e alla fine si trasforma in goccioline.

Meccanismo teorico di generazione delle goccioline

Da cosa dipende la dimensione della goccia generata da un ugello?

Prendendo tale processo come linea guida, si può facilmente intuire che il diametro medio delle goccioline è in qualche modo collegato a parecchi fattori quali: 

Pressione d’alimentazione

Maggiore è la pressione del fluido, minore è la dimensione delle goccioline.

Tipo di pattern di spruzzo dell’ugello

Generalmente, gli ugelli a cono pieno producono le gocce più grandi, seguiti dagli ugelli a cono cavo e da quelli a getto piatto. Questa classificazione è applicabile sia agli ugelli idraulici sia a quelli a doppio fluido aria-acqua, sebbene quest’ultimi generino gocce più fini rispetto agli ugelli idraulici.

Strumentazione di rilevazione

Spesso, misurare la dimensione delle gocce con metodi differenti comporta risultati anche molto diversi fra loro.

Posizione della goccia all’interno del cono di spruzzo e distanza della goccia dall’orifizio

In base alla tipologia di pattern di spruzzo e allora loro posizione nel cono, le gocce possono avere dimensioni molto diverse fra loro.

Tipologia di Liquido spruzzato

La viscosità e la tensione superficiale aumentano la quantità di energia necessaria per atomizzare lo spray. Un aumento di una di queste proprietà in genere aumenterà la dimensione della goccia.

Densità del fluido spruzzato

Il peso specifico di un fluido influenzerà la portata complessiva raggiunta all’ugello e quindi influenzerà la dimensione delle goccioline. Per una data pressione, maggiore è il peso specifico, minore è la portata, quindi minore è la dimensione media delle goccioline.

Angolo di spruzzo

All’aumentare dell’angolo di spruzzo, ci sarà una riduzione della dimensione della goccia e al contrario una riduzione nell’angolo di spruzzo aumenterà la dimensione della goccia.

Il progettista di un sistema che intende generare uno spruzzo composto di goccioline minute, anche se non finissime, potrebbe essere in grado di operare una prima scelta come segue. La scelta è naturalmente basata sul meccanismo di formazione delle goccioline, che varia da un tipo di ugello all’altro e che permette di prevedere su quale tipo sia meglio orientarsi.

Ugelli ad impattodanno prestazioni accettabili per questa applicazione
Ugelli centrifughi a cono cavo, ugelli multipli a cono pienodanno le migliori prestazioni con pressioni basse
Ugelli a turbolenzapossono essere usati ma con risultati mediocri
Ugelli centrifughi a cono pieno senza vorticatoreda non utilizzare in assoluto
 

Nei casi in cui i requisiti relativi al tipo di energia elettrica non siano un problema, o nei casi in cui si richiedano goccioline di uno specifico diametro, si possono ottenere le goccioline più piccole con l’ausilio di un atomizzatore ad aria.
In questo caso l’azione di taglio di un flusso di aria compressa ad alta velocità viene usato con moltissime tecniche diverse per ottenere un valore per SMD (Sauter Mean Diameter) di 50 micron ed anche meno.

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Meccanismo di rottura delle gocce

Alla base del meccanismo di rottura delle gocce c’è la creazione di distribuzioni disuniformi di pressioni sulle gocce, dovute alla pressione dinamica dell’ aria. I principali meccanismi di rotture di gocce di liquido in ambiente gas sono cinque, legati a valori crescenti del numero di Weber (un numero adimensionale che mette in relazione la forza d’inerzia e la forza di tensione superficiale):

1 | ROTTURA E VIBRAZIONE

We < 12
Questo tipo di rottura produce solo pochi frammenti liquidi di grandi dimensioni, il tempo di rottura è molto lungo in confronto agli altri meccanismi per cui questo non viene preso in considerazione per lo studio della rottura delle gocce. 

2 | ROTTURA "A SACCHETTO"

12 < We < 50
Meccanismo della rottura a sacchetto è analogo alla rottura di una bolla di sapone. La parte interna della goccia diviene sottile e si rompe in un gran numero di frammenti piccoli, mentre la parte esterna, più pesante, si rompe poco dopo producendo un minor numero di frammenti più grandi. 

3 | ROTTURA "A OMBRELLO"

50 < We < 100
Questo tipo di rottura presenta molte caratteristiche in comune con il secondo meccanismo : come in quest’ultimo, si forma un sacco ancorato ad un anello esterno, ma una colonna liquida è formata lungo l’ asse della goccia. La rottura interessa dapprima la zona più sottile e poi la parte centrale. 

4 | ROTTURA "A STRAPPAMENTO SUPERFICIALE"

100 < We < 350
Il meccanismo è differente dai precedenti. Non si forma alcun sacchetto, ma si verifica un continuo consumo di un sottile strato esterno della goccia: questo strato sottile si rompe a poca distanza dietro la goccia, in piccoli frammenti. Una struttura residua di goccia permane durante l’intero processo di rottura. 

5 | ROTTURA "A SFRANGIAMENTO D'ONDA" O "CATASTROFICA"

We > 350
A numeri di Weber più alti, si formano sulla superficie della goccia delle onde molto piccole, le cui creste vengono continuamente erose dalla azione aerodinamica. Quando le onde di maggiore ampiezza e lunghezza penetrano nella goccia, si verifica il fenomeno della “rottura catastrofica” che porta ad un processo multistadio in cui i primi frammenti sono soggetti ad una ulteriore rottura. 

Perché la dimensione delle gocce generate degli ugelli è importante?

Una premessa da fare per comprendere il motivo per cui la dimensione delle gocce è così importante è che minore è la dimensione media delle goccioline, maggiore sarà la superficie dello spruzzo per un dato volume di fluido. Quindi, se si dimezza la dimensione media delle gocce, la superficie dello spray raddoppia. 

La superficie dello spruzzo per un dato volume di fluido influenza la sua capacità di produrre una reazione chimica o la possibilità dello spray di assorbire o dissipare il calore.

Ecco spiegato perché, nelle applicazioni in cui rileviamo un trasferimento termico o una reazione chimica, la dimensione delle gocce è uno degli elementi più importanti da monitorare.

La dimensione delle gocce è importante anche quando si considera un’applicazione come l’abbattimento dei gas nocivi negli scrubber. Sebbene dimensioni minori delle gocce aumentino l’efficienza dell’abbattimento, è tuttavia necessario evitare che le gocce siano tanto piccole da essere trascinate dalla corrente gassosa.

Come si misura la dimensione delle gocce degli ugelli?

Il nostro laboratorio interno dispone di un Sistema Laser PDPA, che consente di avere informazioni sulla dimensione e sulla velocità delle gocce costituenti il getto generato da un ugello.

Per la caratterizzazione idraulica degli spray il sistema si compone di un Anemometro Phase Doppler, che consente di avere informazioni sulla dimensione e sulla velocità delle gocce costituenti il getto. Le unità trasmittenti e riceventi sono montate su un sistema di traversing che ne consente la traslazione su assi X, Y, Z; con questo sistema si ha la libertà d’investigare sull’intero volume dello spruzzo.

Il sistema PDPA (Phase Doppler Particle Analyzer) consente la caratterizzazione di ciascuna particella sferica che attraversa il volume della sonda costruendo statistiche accurate. Il punto di prelievo della sonda è costituita da due raggi laser intersecanti i quali forniscono un punto di misurazione ad alta risoluzione. I dati acquisiti successivamente vengono elaborati da un software.