Una boquilla de pulverización o atomizador es un dispositivo que facilita la dispersión de un líquido mediante la formación de un rocío . La producción de un rocío requiere la fragmentación de estructuras líquidas, como láminas o ligamentos de líquido, en gotitas, a menudo mediante el uso de energía cinética para superar el costo de crear un área de superficie adicional. Existe una amplia variedad de boquillas de pulverización, que hacen uso de uno o múltiples mecanismos de ruptura de líquido, que se pueden dividir en tres categorías: ruptura de láminas de líquido, chorros y ondas capilares. Las boquillas de pulverización son de gran importancia para muchas aplicaciones , donde la boquilla de pulverización está diseñada para tener las características de pulverización adecuadas . [1]
Las boquillas de pulverización pueden tener una o más salidas; una boquilla de salida múltiple se conoce como boquilla compuesta. Las boquillas de salida múltiple están presentes en las bolas de pulverización, que se han utilizado en la industria cervecera durante muchos años para limpiar barriles y toneles. [2] Las boquillas de pulverización varían desde aquellas para usos industriales de servicio pesado hasta las latas de pulverización o botellas de pulverización de servicio liviano . [3]
Las boquillas de pulverización de un solo fluido o hidráulicas utilizan la energía cinética impartida al líquido para descomponerlo en gotitas. Este tipo de boquilla de pulverización, el más utilizado, es más eficiente energéticamente en la producción de área superficial 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 un solo fluido según las características de pulverización deseadas.
La boquilla de un solo fluido 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 la corriente de líquido. Si la caída de presión es alta, al menos 25 bares (2500 kPa; 360 psi), el material a menudo se atomiza finamente, como en un inyector diésel. A presiones más bajas, este tipo de boquilla se usa a menudo para la limpieza de tanques, ya sea como una boquilla de pulverización de compuesto de posición fija o como una boquilla giratoria.
El orificio moldeado utiliza una entrada con forma semiesférica y una salida con muescas en forma de V para hacer que el flujo se distribuya sobre el eje de la muesca en forma de V. El resultado es una pulverización en abanico plana que resulta útil para muchas aplicaciones de pulverización, como la pintura en aerosol.
Una boquilla de impacto superficial hace que un chorro de líquido impacte sobre una superficie, lo que da como resultado una lámina de líquido que se descompone en pequeñas gotas. Esta boquilla de patrón de rociado de abanico plano se utiliza en muchas aplicaciones, desde la aplicación de herbicidas agrícolas hasta la pintura.
La superficie de impacto se puede formar en espiral para producir una lámina con forma de espiral que se aproxima a un patrón de rociado de cono completo o un patrón de rociado 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 las obstrucciones gracias 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 de pulverización con remolino a presión son dispositivos de alto rendimiento (gotas de pequeño tamaño) con una configuración que se muestra en la imagen. El núcleo estacionario induce un movimiento rotatorio del fluido que hace que el fluido se arremoline en la cámara de remolino. Se descarga una película desde el perímetro del orificio de salida, lo que produce un patrón de pulverización de cono hueco característico. El aire u otro gas circundante se introduce en la cámara de remolino para formar un núcleo de aire dentro del líquido que se arremolina. Se utilizan muchas configuraciones de entradas de fluido para producir este patrón de cono hueco según la capacidad de la boquilla y los materiales de construcción. Los usos de esta boquilla incluyen el enfriamiento por evaporación y el secado por pulverización.
En un diagrama esquemático se muestra una de las configuraciones de la boquilla de aspersión de cono sólido. Se induce un movimiento giratorio del líquido con la estructura de paletas; sin embargo, 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 más grande que una boquilla de cono hueco. La cobertura es la característica deseada para este tipo de boquilla, que se utiliza a menudo para aplicaciones para distribuir fluido sobre un área.
Una boquilla compuesta es un tipo de boquilla en la que se incorporan varias boquillas individuales para uno o dos fluidos en un cuerpo de boquilla, como se muestra a continuación. Esto permite controlar el diseño del tamaño de gota y el ángulo de cobertura de la pulverización.
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 utilizan vapor u otros gases. Los variados diseños de boquillas de dos fluidos se pueden agrupar en mezcla interna o mezcla externa según el punto de mezcla de las corrientes de gas y líquido en relación con la cara de la boquilla.
Las boquillas de mezcla interna entran en contacto con los fluidos dentro de la boquilla; en la figura siguiente se muestra una configuración. El cizallamiento entre el gas a alta velocidad y el líquido a baja velocidad desintegra la corriente de líquido en gotitas, lo que produce una pulverización a alta velocidad. Este tipo de boquilla tiende a utilizar menos gas atomizador que un atomizador de mezcla externa y es más adecuado para corrientes de mayor viscosidad. Muchas boquillas de mezcla interna compuestas se utilizan comercialmente; por ejemplo, para la atomización de fueloil.
Las boquillas de mezcla externa entran en contacto con fluidos fuera de la boquilla, como se muestra en el diagrama esquemático. Este tipo de boquilla de pulverización puede requerir más aire de atomización y una mayor caída de presión del aire de atomización porque la mezcla y atomización del líquido se lleva a cabo fuera de la boquilla. La caída de presión del líquido es menor para este tipo de boquilla, a veces atrayendo líquido hacia la boquilla debido a la succión causada por las boquillas de aire de atomización (boquilla de sifón). Si el líquido que se va a atomizar contiene sólidos, puede ser preferible un atomizador de mezcla externa. 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 la 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 gota. [5] Un tamaño de gota excesivo puede provocar una falla catastrófica del equipo o puede tener un efecto adverso en el proceso o el 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 boquillas de dos fluidos en el gas cargado de polvo. Si las gotas no se evaporan completamente y golpean una pared del recipiente, el polvo se acumulará, lo que resultará en la posibilidad de restricción del flujo en el conducto de salida, lo que interrumpirá el funcionamiento de la planta.
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. También pueden ser automáticos.
Este tipo de boquilla de pulverización utiliza vibración de alta frecuencia (20–180 kHz) para producir una distribución de tamaño de gota estrecho y una pulverización de baja velocidad a partir de un líquido. La vibración de un cristal piezoeléctrico provoca ondas capilares en la película de líquido de la superficie de la boquilla. Una boquilla ultrasónica puede ser clave para lograr una alta eficiencia de transferencia y estabilidad del proceso, ya que es muy difícil de obstruir. Son particularmente útiles en recubrimientos de dispositivos médicos por su confiabilidad. [6]
La carga electrostática de los 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 con baja corriente.
Casi todos los datos sobre el tamaño de las gotas que proporcionan los fabricantes de boquillas se basan en la pulverización de agua en condiciones de laboratorio, a 21 °C (70 °F). Se debe comprender y tener en cuenta el efecto de las propiedades del líquido al seleccionar una boquilla para un proceso que sea sensible al tamaño de las gotas.
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 es sobre la capacidad de la boquilla de pulverización. Todos los datos de rendimiento de las boquillas proporcionados por el proveedor se basan en la pulverización de agua. 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 rociado y el tamaño de las gotas. Los líquidos con una viscosidad alta requieren una presión mínima más alta para comenzar la formación del patrón de rociado y producen ángulos de rociado más estrechos en comparación con el agua.
La tensión superficial de un líquido tiende a alcanzar el tamaño más pequeño posible, actuando como una membrana bajo tensión. Cualquier porción de la superficie del líquido ejerce una tensión sobre las porciones adyacentes o sobre otros objetos con los que entra en contacto. Esta fuerza se encuentra 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 dan en la presión mínima de funcionamiento, el ángulo de pulverización y el tamaño de las gotas. La tensión superficial es más evidente a presiones de funcionamiento bajas. Una tensión superficial más alta reduce el ángulo de pulverización, en particular en las boquillas de cono hueco. Las tensiones superficiales bajas pueden permitir que las boquillas funcionen a presiones más bajas.
El desgaste de las boquillas se manifiesta por un aumento de la capacidad de las mismas y por un cambio en el patrón de pulverización, en el que la distribución (uniformidad del patrón de pulverización) se deteriora y aumenta el tamaño de las gotas. La elección de un material de construcción resistente al desgaste aumenta la vida útil de las boquillas. Dado que se utilizan muchas boquillas de un solo fluido para medir los caudales, las boquillas desgastadas dan lugar a un uso excesivo de líquido.
El material de construcción se selecciona en función de las propiedades del líquido que se va a pulverizar y del entorno que rodea a la boquilla. Las boquillas de pulverización se fabrican habitualmente 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 tener en cuenta varios factores, incluidos el desgaste erosivo, el ataque químico y los efectos de las altas temperaturas.
Recubrimiento automotriz: El recubrimiento automotriz requiere gotas de 10 a 100 μm (0,39 a 3,94 milésimas de pulgada ) de tamaño depositadas uniformemente sobre el sustrato. Las aplicaciones de la tecnología de pulverización son más pronunciadas durante el curso del proceso de recubrimiento base y transparente, que se engloban como las últimas etapas del recubrimiento automotriz. Entre otros, las campanas rotativas montadas en robots y los pulverizadores hvlp (alto volumen, baja presión) se utilizan ampliamente para pintar la carrocería de los automóviles durante la fabricación. [8] La pulverización agrícola puede implicar boquillas hidráulicas, de doble fluido y rotativas: se analiza más a fondo en la aplicación de pesticidas .
