Un aerosol es una colección dinámica de gotas dispersas en un gas . [1] El proceso de formación de un aerosol se conoce como atomización. Una boquilla de pulverización es el dispositivo utilizado para generar un aerosol. Los dos usos principales de los aerosoles son distribuir material sobre una sección transversal y generar un área de superficie líquida. Hay miles de aplicaciones en las que los aerosoles permiten utilizar el material de forma más eficiente. Se deben comprender las características de pulverización requeridas para seleccionar la tecnología más apropiada, el dispositivo óptimo y el tamaño. [2]
La atomización por pulverización se puede realizar mediante varios métodos. El método más común es a través de una boquilla de pulverización que normalmente tiene un paso de fluido sobre el que actúan diferentes fuerzas mecánicas que atomizan el líquido. [3] La primera boquilla de atomización fue inventada por Thomas A. DeVilbiss de Toledo, Ohio, a fines del siglo XIX. Su invención fue un atomizador de bulbo que usaba presión para incidir sobre un líquido, rompiéndolo en una fina niebla. La formación de pulverización ha adoptado varias formas, siendo las más comunes los pulverizadores a presión y las boquillas centrífugas, electrostáticas y ultrasónicas .
Las boquillas de pulverización están diseñadas para funcionar en diversas condiciones de funcionamiento. Se deben tener en cuenta las siguientes características al seleccionar una boquilla: [4]
La selección de una boquilla en función del patrón y otras características de pulverización requeridas generalmente produce buenos resultados. [5] Dado que las boquillas de pulverización están diseñadas para funcionar en muchas condiciones de pulverización diferentes, más de una boquilla puede cumplir con los requisitos para una aplicación determinada. Las superficies se pueden pulverizar con cualquier forma de patrón. Los resultados son bastante predecibles, dependiendo del tipo de patrón de pulverización especificado. Si la superficie es estacionaria, la boquilla preferida suele ser algún tipo de boquilla de cono completo, ya que su patrón cubrirá un área más grande que los otros estilos. Las aplicaciones espaciales, en las que el objetivo no es principalmente pulverizar sobre una superficie, es más probable que requieran características de pulverización especializadas. El éxito en estas aplicaciones a menudo depende completamente de factores como el tamaño de la gota y la velocidad de pulverización. La evaporación, las velocidades de enfriamiento de gases y sólidos y la eficiencia de limpieza son ejemplos de características del proceso que pueden depender en gran medida de las cualidades de la pulverización.
A continuación se describe cada patrón de pulverización con aplicaciones de uso final típicas.
Este tipo de boquilla proporciona un alto impacto por unidad de área y se utiliza en muchas aplicaciones de limpieza, por ejemplo, boquillas de limpieza de tanques (fijas o rotativas).
Este patrón de rociado es un anillo circular de líquido. El patrón se logra mediante el uso de un orificio de entrada tangencial a una cámara de remolino cilíndrica que está abierta en un extremo. La salida del orificio circular tiene un diámetro menor que la cámara de remolino. El líquido que se arremolina tiene una forma circular; el centro del anillo es hueco. Las boquillas de cono hueco son las mejores para aplicaciones que requieren una buena atomización de líquidos a bajas presiones o cuando se necesita una transferencia rápida de calor. Estas boquillas también cuentan con pasajes de flujo grandes y sin obstrucciones, que brindan una resistencia relativamente alta a las obstrucciones. Las boquillas de cono hueco brindan las distribuciones de tamaño de gota más pequeñas. El rango relativo de tamaños de gota tiende a ser más estrecho que otros estilos hidráulicos.
El patrón de cono hueco también se puede lograr mediante el diseño en espiral de la boquilla. Esta boquilla hace que el fluido impacte sobre una espiral que sobresale. Esta forma de espiral divide el fluido en varios patrones de cono hueco. Al alterar la topología de la espiral, los patrones de cono hueco se pueden hacer converger para formar un solo cono hueco.
Las boquillas de cono lleno brindan una cobertura de rociado completa en un área de forma redonda, ovalada o cuadrada. Por lo general, el líquido se arremolina dentro de la boquilla y se mezcla con líquido que no gira y que ha pasado por alto una paleta interna. Luego, el líquido sale a través de un orificio, formando un patrón cónico. El ángulo de rociado y la distribución del líquido dentro del patrón de cono dependen del diseño de la paleta y la ubicación en relación con el orificio de salida. El diseño del orificio de salida y las proporciones geométricas relativas también afectan el ángulo y la distribución del rociado. Las boquillas de cono lleno brindan una distribución de rociado uniforme de gotas de tamaño mediano a grande como resultado de su diseño central, que presenta grandes pasajes de flujo. Las boquillas de cono lleno son el estilo más utilizado en la industria.
Como su nombre lo indica, el patrón de rociado aparece como una lámina plana de líquido. El patrón está formado por un orificio elíptico o redondo en una superficie deflectora que es tangente al orificio de salida. El orificio tiene una ranura externa con un radio cilíndrico interno contorneado, o forma de "ojo de gato". En el diseño de orificio elíptico, el patrón rocía fuera del orificio en línea con la tubería. En el diseño de deflector, el patrón de rociado es perpendicular a la tubería. Hay dos categorías de rociado plano, cónico y uniforme, según la uniformidad del rociado sobre el patrón de rociado. Los patrones de rociado plano con bordes cónicos se producen mediante boquillas de rociado elípticas de paso recto. Este patrón de rociado es útil para patrones superpuestos entre múltiples cabezales de boquilla. El resultado es una distribución uniforme en toda la superficie rociada. Las boquillas de rociado planas no cónicas se utilizan en aplicaciones de limpieza que requieren un patrón de rociado uniforme sin ninguna superposición en el área de rociado.
En los inyectores de automóviles se utilizan habitualmente chorros de múltiples columnas. Las columnas múltiples se utilizan principalmente para lograr una mezcla óptima de combustible y aire, con el fin de reducir las emisiones contaminantes en diferentes condiciones de funcionamiento. Los inyectores de automóviles con columnas múltiples pueden tener entre 2 y 8 columnas. La ubicación precisa del centroide de estas columnas, los ángulos individuales de las columnas y el porcentaje de distribución del líquido entre las columnas se obtienen normalmente utilizando un patrón óptico .
Todos los fabricantes de boquillas de pulverización tabulan la capacidad en función del agua. Dado que la gravedad específica de un líquido afecta su caudal, los valores se deben ajustar utilizando la siguiente ecuación, donde Qw es la capacidad de agua y Spg es la gravedad específica del fluido utilizado, lo que da como resultado el caudal volumétrico del fluido utilizado, Qf.
La capacidad de la boquilla varía con la presión de pulverización. En general, la relación entre la capacidad y la presión es la siguiente:
donde Q1 es la capacidad conocida a la presión P1, y Q2 es la capacidad a determinar a la presión P2.
El impacto de un chorro sobre la superficie objetivo se expresa como fuerza/área, N/m2 o lb/in2 . Este valor depende de la distribución del patrón de pulverización y del ángulo de pulverización. Generalmente, las boquillas de chorro sólido o las boquillas de abanico plano con ángulo de pulverización estrecho se utilizan para aplicaciones en las que se desea un alto impacto, como la limpieza. Cuando se utiliza una boquilla para limpiar, el impacto o la presión se denomina impacto. Al igual que con todos los patrones de pulverización, el impacto unitario disminuye a medida que aumenta la distancia desde la boquilla, lo que aumenta el tamaño del área de impacto.
El impacto de la pulverización, , depende del caudal volumétrico Q y de la caída de presión según la ecuación siguiente. El tipo de boquilla y la distancia entre la boquilla y la superficie afectan a la constante C.
El ángulo de rociado diverge o converge con respecto al eje vertical. Como se ilustra en la figura siguiente, el ángulo de rociado tiende a colapsar o divergir con el aumento de la distancia desde el orificio. La cobertura de rociado varía con el ángulo de rociado. La cobertura teórica, C, de los patrones de rociado a varias distancias se puede calcular con la ecuación siguiente para ángulos de rociado menores a 180 grados. Se supone que el ángulo de rociado permanece constante a lo largo de toda la distancia de rociado. Los líquidos más viscosos que el agua forman ángulos de rociado más pequeños, o corrientes sólidas, según la capacidad de la boquilla, la presión de rociado y la viscosidad. Los líquidos con tensiones superficiales menores que el agua producen ángulos de rociado más amplios que los enumerados para el agua. Los ángulos de rociado generalmente se miden utilizando métodos ópticos o mecánicos. Los métodos ópticos incluyen la sombragrafía, la tomografía de extinción y la imagen Mie. [6] Los ángulos de rociado son importantes en aplicaciones de recubrimiento para evitar la pulverización excesiva de los materiales recubiertos, en motores de combustión para evitar que se humedezcan las paredes del cilindro y en rociadores contra incendios para proporcionar una cobertura adecuada de la propiedad protegida.
El tamaño de gota es el tamaño de las gotas de pulverización que forman el patrón de pulverización de la boquilla. [7] Las gotas de pulverización dentro de una pulverización determinada no son todas del mismo tamaño. Hay varias formas de describir los tamaños de gota dentro de una pulverización:
• Diámetro medio de Sauter (SMD) o D32
• Diámetro medio de volumen (VMD) DV0.5 y diámetro medio de masa (MMD)
Los tamaños de las gotas se expresan en micrómetros (μm). Un micrómetro equivale a 1/25 400 pulgadas.
La distribución del tamaño y/o volumen de las gotas en una pulverización se expresa normalmente mediante el tamaño versus el porcentaje de volumen acumulado.
Comparar las distribuciones de tamaño de gota de boquillas alternativas puede resultar confuso. El factor de amplitud relativa (RSF) reduce la distribución a un único número. El parámetro indica la uniformidad de la distribución de tamaño de gota. Cuanto más cercano a 1 sea este número, más uniforme será la pulverización (es decir, distribución más ajustada, menor variación entre el tamaño máximo de gota, Dmax, y el tamaño mínimo de gota, Dmin). El RSF proporciona un medio práctico para comparar distintas distribuciones de tamaño de gota.
Los aerosoles se caracterizan típicamente por cantidades estadísticas obtenidas a partir de mediciones de tamaño y velocidad en muchas gotas individuales. Las cantidades más utilizadas son las distribuciones de densidad de probabilidad de tamaño y velocidad, así como los flujos, por ejemplo, número, masa, momento, etc. A través de un plano dado, algunos instrumentos infieren tales cantidades estadísticas a partir de mediciones individuales, por ejemplo, densidad numérica a partir de la extinción de la luz, pero muy pocos instrumentos son capaces de realizar mediciones directas de tamaño y velocidad de gotas individuales en un aerosol. [8] Los tres métodos más utilizados para medir el tamaño de las gotas son la difracción láser, la formación de imágenes ópticas y el Doppler de fase. Todos estos métodos ópticos son no intrusivos. Si todas las gotas tuvieran la misma velocidad, las mediciones del tamaño de las gotas serían idénticas para todos los métodos. Sin embargo, existe una diferencia significativa entre la velocidad de las gotas más grandes y las más pequeñas. Estos métodos ópticos se clasifican como espaciales o basados en flujo. Un método de muestreo espacial mide las gotas en un volumen de medición finito. El tiempo de residencia de las gotas en el volumen de medición afecta los resultados. Los métodos basados en flujo muestrean continuamente sobre una sección transversal de medición.
La difracción láser, [9] un método de muestreo espacial, se basa en el principio de difracción de Fraunhofer, que se produce cuando la luz interactúa con las gotas en el aerosol. El ángulo de dispersión del patrón de difracción es inversamente proporcional al tamaño de la gota. Este método no intrusivo utiliza un volumen de sonda óptica cilíndrico largo. La luz dispersada pasa a través de un sistema especial de lentes transformadoras y se recoge en una serie de anillos de fotodiodos concéntricos. La señal de los fotodiodos se utiliza para calcular a posteriori una distribución del tamaño de las gotas. Una serie de lentes permiten realizar mediciones de 1,2 a 1800 μm.
El método de obtención de imágenes ópticas utiliza una luz pulsada, un láser o un estroboscopio para generar la imagen gráfica de sombras que se utiliza para determinar el tamaño de la gota en el volumen de medición. Este método de medición espacial tiene un rango de 5 μm a 10 000 μm con cambios en la configuración óptica y de lentes. El software de análisis de imágenes procesa las imágenes sin procesar para determinar un diámetro de gota equivalente circular. Este método es el más adecuado para cuantificar gotas de mayor diámetro en aerosoles de densidad media a baja, líquidos opacos (lechadas) y ligamentos (gotas parcialmente formadas).
El método Doppler de fase [10] , un método basado en flujo, mide el tamaño y la velocidad de las partículas simultáneamente. Este método, también conocido como PDPA, es único porque la información sobre el tamaño y la velocidad de las gotas se encuentra en el ángulo de fase entre las señales del detector y el cambio de frecuencia de la señal. Como este método no es sensible a la intensidad, se utiliza en pulverizaciones más densas. El rango de tamaños de gota es de 1 a 8000 μm. En el centro del método se encuentran los rayos láser cruzados que crean patrones de interferencia (patrón espaciado regular de líneas claras y oscuras) e iluminan las gotas a medida que pasan a través de la pequeña zona de medición. Una serie de tres detectores fuera del eje recogen la señal óptica que se utiliza para determinar el ángulo de fase y el cambio de frecuencia causado por las gotas.
Los métodos de obtención de imágenes ópticas y Doppler de fase miden el tamaño de las gotas individuales. Se debe cuantificar una cantidad suficiente de gotas (del orden de magnitud 10.000 gotas) para producir una distribución representativa y minimizar el efecto de las fluctuaciones aleatorias. A menudo se necesitan varias ubicaciones de medición en una pulverización porque el tamaño de las gotas varía a lo largo de la sección transversal de la pulverización.
Tipo y capacidad de la boquilla: las boquillas de cono lleno tienen el tamaño de gota más grande, seguidas de las boquillas de pulverización plana. Las boquillas de cono hueco producen el tamaño de gota más pequeño. Presión de pulverización: el tamaño de la gota aumenta con una presión de pulverización menor y disminuye con una presión mayor. Caudal: el caudal tiene un efecto directo en el tamaño de la gota. Un aumento del caudal aumentará la caída de presión y disminuirá el tamaño de la gota, mientras que una disminución del caudal disminuirá la caída de presión y aumentará el tamaño de la gota.
Ángulo de pulverización: el ángulo de pulverización tiene un efecto inverso sobre el tamaño de la gota. Un aumento del ángulo de pulverización reducirá el tamaño de la gota, mientras que una reducción del ángulo de pulverización aumentará el tamaño de la gota.
Propiedades del líquido: la viscosidad y la tensión superficial aumentan la cantidad de energía necesaria para atomizar el aerosol. Un aumento en cualquiera de estas propiedades generalmente aumentará el tamaño de la gota.
Dentro de cada tipo de patrón de pulverización, las capacidades más pequeñas producen las gotas de pulverización más pequeñas, y las capacidades más grandes producen las gotas de pulverización más grandes. El diámetro medio del volumen (VMD) se basa en el volumen de líquido pulverizado; por lo tanto, es una medida ampliamente aceptada.
La densidad de la superficie de las gotas es el producto de la superficie de las gotas de pulverización y la cantidad de gotas por unidad de volumen. La densidad de la superficie es muy importante en aplicaciones de evaporación y combustión, ya que la tasa de evaporación local está altamente correlacionada con la densidad de la superficie. La extinción de la luz causada por las gotas dentro de una pulverización también es directamente proporcional a la densidad de la superficie. Los dos métodos más utilizados para medir la densidad de la superficie son la obtención de imágenes por láser y la tomografía de extinción estadística. [11]
Los datos sobre el tamaño de las gotas dependen de muchas variables y siempre están sujetos a interpretación. Se sugieren las siguientes pautas para facilitar la comprensión y el uso eficaz de los datos sobre el tamaño de las gotas.
Los aerosoles de líquidos de hidrocarburos se encuentran entre las aplicaciones económicamente más significativas de los aerosoles. Los ejemplos incluyen inyectores de combustible para motores de gasolina y diésel , atomizadores para motores a reacción (turbinas de gas), [12] atomizadores para inyectar fueloil pesado en el aire de combustión en inyectores de calderas de vapor e inyectores de motores de cohetes. El tamaño de la gota es crítico porque la gran área superficial de un aerosol finamente atomizado mejora la tasa de evaporación del combustible. La dispersión del combustible en el aire de combustión es crítica para maximizar la eficiencia de estos sistemas y minimizar las emisiones de contaminantes ( hollín , NOx , CO). [13]
La lechada de piedra caliza se rocía con boquillas de rociado de un solo fluido para controlar las emisiones de gases ácidos, especialmente las emisiones de dióxido de azufre (SO2) de las plantas de energía a carbón con depuradores de líquidos. El hidróxido de calcio (cal) se atomiza en un absorbedor de secador por rociado para eliminar los gases ácidos (SO2 y HCl) de las plantas de energía a carbón. El agua se rocía para eliminar los sólidos particulados utilizando una torre de rociado o un depurador de rociado ciclónico [14]. Las torres de enfriamiento utilizan boquillas de rociado para distribuir el agua.
Los aerosoles se utilizan ampliamente en la fabricación. [17] Algunas aplicaciones típicas son la aplicación de adhesivos, la lubricación de cojinetes y el enfriamiento de herramientas en operaciones de mecanizado.
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La aplicación por aspersión de herbicidas, insecticidas y pesticidas es esencial para distribuir estos materiales sobre la superficie objetivo prevista. [20] Los herbicidas preemergentes se rocían sobre el suelo, pero muchos materiales se aplican a la superficie de las hojas de las plantas. Las pulverizaciones agrícolas incluyen la pulverización de tierras de cultivo, bosques, césped y huertos. El pulverizador puede ser una boquilla manual, en un vehículo terrestre o en una aeronave. Los herbicidas, insecticidas y pesticidas se aplican por aspersión al suelo o al follaje de las plantas para distribuir y dispersar estos materiales. Véase aplicación aérea , aplicación de pesticidas , pulverizador . El control de las características de la pulverización es fundamental para proporcionar la cobertura del follaje y minimizar la deriva fuera del objetivo de la pulverización a las áreas adyacentes. (deriva de pesticidas). La deriva de la pulverización se controla aplicando solo en condiciones de viento y humedad adecuadas, y controlando el tamaño de las gotas y la distribución del tamaño de las gotas. Minimizar la altura de la barra de pulverización sobre el cultivo reduce la deriva. El tipo y tamaño de la boquilla de pulverización y la presión de funcionamiento proporcionan la tasa de aplicación correcta del material y controlan la cantidad de finos derivables. Los sprays, boquillas de un solo fluido, también se utilizan para enfriar a los animales.
Los atomizadores se utilizan con pulverizadores accionados por bomba de productos de limpieza para el hogar. La función de estas boquillas es distribuir el producto sobre una superficie. Ver aerosol y lata de aerosol
