Los atomizadores rotativos utilizan un disco, copa o rueda rotatoria de alta velocidad para descargar líquido a alta velocidad hacia el perímetro, formando un rociado de cono hueco. La velocidad de rotación controla el tamaño de la gota. El secado por aspersión y la pintura por aspersión son los usos más importantes y comunes de esta tecnología.
Muchas industrias necesitan convertir una gran masa de líquido en una dispersión de pequeñas gotas (de tamaño micrométrico) (generar un rocío). Algunos ejemplos de esta necesidad son el enfriamiento por evaporación , la meteorología , la impresión, las aplicaciones médicas, la combustión por rocío, el recubrimiento y el secado. Existen varios dispositivos para generar rocío, como atomizadores, pulverizadores , boquillas y aplicadores. Los rocíos se generan típicamente al producir una diferencia de alta velocidad entre la fase de los gases y el líquido a atomizar. Estos dispositivos logran esta atomización liberando el líquido a una velocidad muy alta en el aire no agitado. El líquido también se puede atomizar utilizando un proceso inverso, en lugar de acelerar el líquido, se puede acelerar el gas para lograr una velocidad relativamente más alta que el líquido. Los dispositivos que utilizan este método para lograr la atomización se denominan atomizadores de chorro de aire, asistidos por aire o popularmente atomizadores de fluido doble. En un atomizador rotatorio , la copa o disco giratorio obliga al líquido a salir a una velocidad muy alta a través de su borde. [1] [2]
Los atomizadores rotatorios, de presión por remolino [3] o de fluido doble [4] son los métodos más comunes para la generación de pulverizaciones. Para aplicaciones especiales, existen tipos de atomizadores alternativos, como el atomizador electrostático [5] en el que se utiliza presión eléctrica para impulsar la atomización, y el dispositivo atomizador ultrasónico [6] en el que el líquido pasa a través de un transductor que vibra a frecuencias ultrasónicas para generar longitudes de onda más cortas que convierten el fluido en gotas más pequeñas. Dado que el caudal de líquido es bajo en ambos dispositivos, sus aplicaciones son limitadas.
Los atomizadores rotatorios [7] funcionan según el principio de la energía centrífuga; esta energía se utiliza para producir una alta velocidad relativa entre el fluido y el aire, que es esencial para la atomización. Un atomizador rotatorio consta de una superficie giratoria. Esta superficie puede tener la forma de un disco plano o de paletas, una copa o una rueda ranurada. En la figura se muestra un atomizador rotatorio básico.
El líquido fluye primero radialmente hacia afuera en el disco y luego se libera desde los límites exteriores del disco a una velocidad relativamente alta. La atomización depende del caudal del líquido y de la velocidad de rotación del disco. El líquido se libera desde los límites exteriores del disco en forma de gotas de tamaño uniforme a velocidades de flujo bajas. A una velocidad de flujo comparativamente alta, se generan ligamentos a lo largo de los límites exteriores del disco que luego se rompen en gotas más pequeñas. Cuando se aumenta aún más la velocidad de flujo, los ligamentos no pueden adaptarse al flujo de líquido y, por lo tanto, se produce una fina lámina de líquido que se expande más allá del borde del disco. Esta lámina, más tarde, se desintegra en ligamentos y finalmente se forman gotas. La transición de la formación de ligamentos a la formación de láminas se puede retrasar raspando los bordes del disco. Los atomizadores rotativos pertenecen a los atomizadores mecánicos; por lo tanto, no se requiere ni un líquido a alta presión ni un gas presurizado para la atomización. La energía necesaria para la atomización se transfiere directamente del cuerpo del atomizador al líquido. Esto nos da la ventaja de que la energía necesaria para atomizar el líquido se suministra directamente de forma mecánica y energética. Ya no es necesaria la complicada y costosa producción de gas comprimido, por ejemplo, aire comprimido. Es suficiente alimentar el líquido a atomizar al atomizador a baja presión. A veces es suficiente una presión hidrostática baja.
El rocío generado por un dispositivo como un atomizador rotatorio puede verse como gotas de líquido sumergidas en una fase continua de gases. El tamaño de la gota formada por el atomizador depende de varias propiedades del fluido (tanto líquido como gaseoso), como la densidad, la viscosidad y la tensión superficial entre los fluidos. Generalmente, las turbinas de gas pequeñas funcionan a alta velocidad de rotación de más de 100.000 rpm. Incluso un atomizador de tamaño pequeño de 10 cm de diámetro que gira a 30.000 rpm puede impartir una aceleración de 490.000 m/s2 ( que es cincuenta mil veces la gravedad) en el combustible líquido. Finalmente, tales atomizadores de combustible crean gotas muy pequeñas. [8] El atomizador rotatorio en el que el líquido gira junto con él a la velocidad de ω y tiene canales radiales en el radio nominal R=(R 1 +R 2 )/2 en el borde desde el cual el líquido de alta velocidad interactúa con el gas para formar gotas.
Considerando el radio nominal del canal y, por lo tanto, la masa del líquido dentro del canal igual a R, el líquido dentro del canal experimentará la aceleración centrífuga de Rω 2 , lo que hace que el líquido forme una capa delgada de espesor t en ambas paredes del canal. A una aceleración muy alta, el espesor de la capa de líquido (película) es muy pequeño en el orden de μm. La forma del canal también decide la efectividad de la atomización y el tamaño de las gotas. Ese es un aspecto para determinar el tamaño de la gota: la velocidad del líquido en el canal (v = Rω).
Por lo tanto, tenemos cuatro términos adimensionales derivados de las propiedades anteriores que determinan el rendimiento de la atomización. [9]
1. Relación de densidad líquido-gas
r = [ρ L / ρ G ] donde ρ L y ρ G son densidades de líquido y gas respectivamente
2. Relación de viscosidad
m = [μ L / μ G ] donde, μ L y μ G son viscosidades de líquido y gas respectivamente
3. Número Weber
We t = [ρ G V c 2 t/σ s ] donde σ s es la tensión superficial entre la superficie de contacto del líquido y el gas. Es la relación entre la fuerza aplicada por el gas sobre la capa de líquido y la fuerza de tensión superficial que actúa sobre el líquido.
Oh t = [μ L / (ρ L σ s t) 1/2 ]
Es la relación entre la fuerza viscosa dentro de la capa y la fuerza de tensión superficial que actúa sobre el líquido. En conjunto, todos estos términos describen tres fenómenos principales de la atomización, a saber, la inercia, la difusión viscosa y la tensión superficial. Para un atomizador de combustible práctico, el número de Ohnesorge está limitado a Oh t <<1 y el tamaño de la gota no se ve muy afectado por el número de Ohnesorge. Por lo tanto, los efectos viscosos se pueden ignorar. Pero el número de Weber no se puede ignorar ya que la tensión superficial y la inercia son los fenómenos principales del proceso de atomización.
Para valores pequeños de We, la tensión superficial es dominante y esta fuerza empuja el líquido hacia la pared del canal, formando una única columna que finalmente se rompe después de encontrarse con el aire, lo que da como resultado gotas comparativamente más grandes. Esto se conoce como ruptura subcrítica del líquido. Mientras que, para la ruptura supercrítica del líquido (valores más significativos de We), la fuerza aplicada por el gas es dominante para la ruptura del líquido, lo que da como resultado gotas de tamaño pequeño y fino.
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[10] La tecnología de atomizador rotatorio se encuentra a menudo en líneas de pintura en la industria de acabado industrial. Un atomizador rotatorio se monta en un robot de pintura o un reciprocador. A menudo llamado atomizador de campana rotatorio, este aplicador de pintura a menudo se combina con tecnología electrostática para maximizar la eficiencia de transferencia de la pintura. Los atomizadores rotatorios giran a velocidades extremadamente altas para romper la pintura en tamaños de partículas finas y uniformes. Lo que conduce a un acabado consistente de muy alta calidad. Esta tecnología se utiliza para pintar una variedad de industrias, incluidas [11] automotriz, [12] aeroespacial, [13] extrusión de aluminio, [14] equipo agrícola, [15] cosméticos, [16] utensilios de cocina para el hogar, [17] electrónica y más.