Una boquilla pulverizadora o atomizador es un dispositivo que facilita la dispersión de un líquido mediante la formación de un spray . La producción de un aerosol requiere la fragmentación de estructuras líquidas, como láminas o ligamentos líquidos, en gotas, a menudo mediante el uso de energía cinética para superar el costo de crear una superficie adicional. Existe una amplia variedad de boquillas pulverizadoras que utilizan uno o varios mecanismos de ruptura de líquido, que se pueden dividir en tres categorías: ruptura de láminas de líquido, chorros y ondas capilares. Las boquillas de aspersión son de gran importancia para muchas aplicaciones , donde la boquilla de aspersión está diseñada para tener las características de aspersión adecuadas . [1]
Las boquillas pulverizadoras pueden tener una o más salidas; una boquilla de salida múltiple se conoce como boquilla compuesta. Las bolas rociadoras, que se utilizan desde hace muchos años en la industria cervecera para limpiar toneles y barriles, tienen múltiples salidas en las boquillas. [2] Las boquillas de pulverización varían desde aquellas para usos industriales de alta resistencia hasta latas o botellas de pulverización de uso ligero . [3]
Las boquillas de pulverización hidráulicas o de un solo fluido utilizan la energía cinética impartida al líquido para dividirlo en gotas. Este tipo de boquilla rociadora más utilizado es más eficiente energéticamente para producir área de superficie que la mayoría de los otros tipos. A medida que aumenta la presión del fluido, aumenta el flujo a través de la boquilla y disminuye el tamaño de la gota. Se utilizan muchas configuraciones de boquillas de fluido único dependiendo de las características de pulverización deseadas.
La boquilla de fluido único más simple es una boquilla de orificio simple como se muestra en el diagrama. Esta boquilla a menudo produce poca o ninguna atomización, pero dirige el chorro de líquido. Si la caída de presión es alta, al menos 25 bares (2500 kPa; 360 psi), el material suele estar finamente atomizado, como en un inyector diésel. A presiones más bajas, este tipo de boquilla se utiliza a menudo para la limpieza de tanques, ya sea como boquilla de pulverización compuesta de posición fija o como boquilla giratoria.
El orificio con forma utiliza una entrada con forma semiesférica y una salida con muesca en V para hacer que el flujo se extienda sobre el eje de la muesca en V. Se obtiene un rociado en abanico plano que es útil para muchas aplicaciones de rociado, como la pintura con rociador.
Una boquilla de impacto superficial hace que una corriente de líquido incida sobre una superficie dando como resultado una lámina de líquido que se rompe en pequeñas gotas. Esta boquilla de pulverización de abanico plano se utiliza en muchas aplicaciones, desde la aplicación de herbicidas agrícolas hasta la pintura.
La superficie de impacto puede formarse en espiral para producir una lámina con forma de espiral que se aproxima a un patrón de pulverización de cono lleno o un patrón de pulverización de cono hueco. [4]
El diseño en espiral generalmente produce un tamaño de gota más pequeño que el diseño de boquilla de tipo remolino de presión, para una presión y un caudal determinados. Este diseño es resistente a obstrucciones debido al gran paso libre.
Las aplicaciones comunes incluyen aplicaciones de depuración de gases (por ejemplo, desulfuración de gases de combustión donde las gotas más pequeñas a menudo ofrecen un rendimiento superior) y extinción de incendios (donde la mezcla de densidades de gotas permite la penetración de la pulverización a través de fuertes corrientes térmicas).
Las boquillas rociadoras de remolino a presión son dispositivos de alto rendimiento (tamaño de gota pequeño) y se muestra una configuración. El núcleo estacionario induce un movimiento giratorio del fluido que provoca la agitación del fluido en la cámara de turbulencia. Se descarga una película desde el perímetro del orificio de salida produciendo un patrón de pulverización de cono hueco característico. El aire u otro gas circundante se introduce dentro de la cámara de turbulencia para formar un núcleo de aire dentro del líquido en turbulencia. Se utilizan muchas configuraciones de entradas de fluido para producir este patrón de cono hueco dependiendo de la capacidad de la boquilla y los materiales de construcción. Los usos de esta boquilla incluyen enfriamiento por evaporación y secado por aspersión.
Una de las configuraciones de la boquilla pulverizadora de cono sólido se muestra en un diagrama esquemático. Sin embargo, la estructura de paletas induce un movimiento giratorio del líquido; el flujo de descarga llena todo el orificio de salida. Para la misma capacidad y caída de presión, una boquilla de cono lleno producirá un tamaño de gota mayor que una boquilla de cono hueco. La cobertura es la característica deseada para dicha boquilla, que a menudo se usa para aplicaciones para distribuir fluido sobre un área.
Una boquilla compuesta es un tipo de boquilla en la que se incorporan varias boquillas de fluido individuales, simples o dos, en un cuerpo de boquilla, como se muestra a continuación. Esto permite controlar el diseño del tamaño de la gota y el ángulo de cobertura del rociado.
Las boquillas de dos fluidos atomizan provocando la interacción de gas y líquido a alta velocidad. El aire comprimido se utiliza con mayor frecuencia como gas atomizador, pero a veces se utiliza vapor u otros gases. Los diversos diseños de boquillas de dos fluidos se pueden agrupar en mezcla interna o mezcla externa dependiendo del punto de mezcla de las corrientes de gas y líquido con respecto a la cara de la boquilla.
Las boquillas de mezcla interna entran en contacto con los fluidos dentro de la boquilla; Una configuración se muestra en la siguiente figura. El corte entre el gas de alta velocidad y el líquido de baja velocidad desintegra la corriente de líquido en gotas, produciendo una pulverización de alta velocidad. Este tipo de boquilla tiende a utilizar menos gas atomizador que un atomizador de mezcla externo y es más adecuado para corrientes de mayor viscosidad. Comercialmente se utilizan muchas boquillas compuestas de mezcla interna; por ejemplo, para la atomización de fueloil.
Las boquillas de mezcla externa hacen contacto con los fluidos fuera de la boquilla como se muestra en el diagrama esquemático. Este tipo de boquilla rociadora puede requerir más aire de atomización y una mayor caída de presión del aire de atomización porque la mezcla y atomización del líquido tiene lugar fuera de la boquilla. La caída de presión del líquido es menor para este tipo de boquilla, a veces aspirando líquido hacia la boquilla debido a la succión causada por las boquillas de aire atomizador (boquilla de sifón). Si el líquido a atomizar contiene sólidos, puede ser preferible un atomizador de mezcla externo. Esta pulverización puede tener forma para producir diferentes patrones de pulverización. Se forma un patrón plano con puertos de aire adicionales para aplanar o remodelar la descarga de sección transversal de pulverización circular.
Muchas aplicaciones utilizan boquillas de dos fluidos para lograr un tamaño de gota pequeño controlado en un rango de operación. Cada boquilla tiene una curva de rendimiento y los caudales de líquido y gas determinan el tamaño de la gota. [5] Un tamaño de gota excesivo puede provocar fallas catastróficas en el equipo o puede tener un efecto adverso en el proceso o producto. Por ejemplo, la torre de acondicionamiento de gas en una planta de cemento a menudo utiliza enfriamiento por evaporación causado por agua atomizada por dos boquillas de fluido en el gas cargado de polvo. Si las gotas no se evaporan por completo y golpean la pared del recipiente, se acumulará polvo, lo que provocará una posible restricción del flujo en el conducto de salida, lo que alterará el funcionamiento de la planta.
Los atomizadores rotativos utilizan un disco, copa o rueda giratorios de alta velocidad para descargar líquido a alta velocidad hacia el perímetro, formando un 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. También pueden ser automáticos.
Este tipo de boquilla rociadora utiliza vibración de alta frecuencia (20–180 kHz) para producir una distribución estrecha del tamaño de las gotas y una pulverización a baja velocidad de un líquido. La vibración de un cristal piezoeléctrico provoca ondas capilares en la película líquida de la superficie de la boquilla. Una boquilla ultrasónica puede ser clave para una alta eficiencia de transferencia y estabilidad del proceso, ya que son muy difíciles de obstruir. Son particularmente útiles en recubrimientos de dispositivos médicos por su confiabilidad. [6]
La carga electrostática de aerosoles es muy útil para lograr una alta eficiencia de transferencia. Algunos ejemplos son la pulverización industrial de recubrimientos (pinturas) y la aplicación de aceites lubricantes. La carga se realiza a alto voltaje (20–40 kV) pero a baja corriente.
Casi todos los datos sobre el tamaño de gota proporcionados por los fabricantes de boquillas se basan en agua pulverizada en condiciones de laboratorio, 21 °C (70 °F). El efecto de las propiedades del líquido debe entenderse y tenerse en cuenta al seleccionar una boquilla para un proceso que sea sensible al tamaño de la gota.
Los cambios de temperatura del líquido no afectan directamente el rendimiento de la boquilla, pero pueden afectar la viscosidad, la tensión superficial y la gravedad específica, lo que luego puede influir en el rendimiento de la boquilla de pulverización.
La gravedad específica es la relación entre la masa de un volumen dado de líquido y la masa del mismo volumen de agua. En la pulverización, el efecto principal de la gravedad específica Sg de un líquido distinto del agua está en la capacidad de la boquilla de pulverización. Todos los datos de rendimiento de las boquillas proporcionados por el proveedor se basan en agua de pulverización. Para determinar el caudal volumétrico Q, de un líquido distinto del agua se debe utilizar la siguiente ecuación.
La viscosidad dinámica se define como la propiedad de un líquido que resiste el cambio en la forma o disposición de sus elementos durante el flujo. La viscosidad del líquido afecta principalmente la formación del patrón de pulverización y el tamaño de las gotas. Los líquidos con alta viscosidad requieren una presión mínima más alta para comenzar a formar el patrón de pulverización y producir ángulos de pulverización más estrechos en comparación con el agua.
La tensión superficial de un líquido tiende a asumir el tamaño más pequeño posible, actuando como una membrana bajo tensión. Cualquier porción de la superficie del líquido ejerce una tensión sobre porciones adyacentes o sobre otros objetos con los que entra en contacto. Esta fuerza está en el plano de la superficie y su cantidad por unidad de longitud es la tensión superficial. El valor para el agua es de aproximadamente 0,073 N/m (0,0050 lb f /ft) a 21 °C (70 °F). Los principales efectos de la tensión superficial se encuentran en la presión mínima de operación, el ángulo de pulverización y el tamaño de la gota. La tensión superficial es más evidente a bajas presiones operativas. Una mayor tensión superficial reduce el ángulo de pulverización, especialmente en boquillas de cono hueco. Las tensiones superficiales bajas pueden permitir que las boquillas funcionen a presiones más bajas.
El desgaste de la boquilla se indica por un aumento en la capacidad de la boquilla y por un cambio en el patrón de aspersión, en el cual la distribución (uniformidad del patrón de aspersión) se deteriora y aumenta el tamaño de la gota. La elección de un material de construcción resistente al desgaste aumenta la vida útil de la boquilla. Debido a que muchas boquillas de un solo fluido se utilizan para medir flujos, las boquillas desgastadas resultan en un uso excesivo de líquido.
El material de construcción se selecciona en función de las propiedades fluidas del líquido que se va a pulverizar y del entorno que rodea la boquilla. Las boquillas de pulverización se fabrican más comúnmente con metales, como latón , acero inoxidable y aleaciones de níquel , pero también se utilizan plásticos como PTFE y PVC y cerámicas ( alúmina y carburo de silicio ). Se deben considerar varios factores, incluido el desgaste erosivo, el ataque químico y los efectos de las altas temperaturas.
Recubrimiento para automóviles: el recubrimiento para automóviles exige gotas de 10 a 100 μm (0,39 a 3,94 mils ) de tamaño depositadas uniformemente sobre el sustrato. Las aplicaciones de la tecnología de pulverización son más pronunciadas durante el proceso de recubrimiento base y transparente, que se consideran las últimas etapas del recubrimiento para automóviles. Entre otras cosas, las campanas giratorias montadas en robots y los pulverizadores hvlp (alto volumen, baja presión) se utilizan ampliamente para pintar carrocerías de automóviles durante la fabricación. [8] La fumigación agrícola puede implicar boquillas hidráulicas, de fluido doble y rotativas: se analiza más detalladamente en la aplicación de pesticidas .
