Un spray es una colección dinámica de gotas dispersas en un gas . [1] El proceso de formación de una pulverización se conoce como atomización. Una boquilla rociadora es el dispositivo que se utiliza para generar un rociado. Los dos usos principales de los aerosoles son distribuir material sobre una sección transversal y generar una superficie líquida. Hay miles de aplicaciones en las que los aerosoles permiten utilizar el material de manera más eficiente. Se deben comprender las características de pulverización requeridas para seleccionar la tecnología, el dispositivo óptimo y el tamaño más apropiados. [2]
La atomización por pulverización se puede realizar mediante varios métodos. El método más común es a través de una boquilla rociadora que generalmente 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 finales del siglo XIX. Su invento fue un atomizador de bulbo que usaba presión para incidir sobre un líquido, rompiéndolo en una fina niebla. La formación de pulverizaciones ha adoptado varias formas, siendo las más comunes pulverizadores a presión y boquillas centrífugas, electrostáticas y ultrasónicas .
Las boquillas pulverizadoras están diseñadas para funcionar en diversas condiciones operativas. Se deben considerar las siguientes características al seleccionar una boquilla: [4]
La selección de una boquilla según el patrón y otras características de pulverización requeridas generalmente produce buenos resultados. [5] Dado que las boquillas de aspersión están diseñadas para funcionar en muchas condiciones de aspersión diferentes, más de una boquilla puede cumplir los requisitos para una aplicación determinada. Las superficies se pueden rociar 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 lleno, ya que su patrón cubrirá un área más grande que los otros estilos. Es más probable que las aplicaciones espaciales, en las que el objetivo no es rociar sobre una superficie, requieran características de rociado especializadas. El éxito en estas aplicaciones suele depender 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 la limpieza son ejemplos de características del proceso que pueden depender en gran medida de las cualidades de la pulverización.
Cada patrón de pulverización se describe a continuación con aplicaciones típicas de uso final.
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 pulverización es un anillo circular de líquido. El patrón se logra mediante el uso de un orificio de entrada tangencial a una cámara de turbulencia cilíndrica que está abierta en un extremo. La salida del orificio circular tiene un diámetro menor que la cámara de turbulencia. El líquido que gira da como resultado 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 rápida transferencia de calor. Estas boquillas también cuentan con conductos de flujo grandes y sin obstrucciones, que proporcionan una resistencia relativamente alta a la obstrucción. Las boquillas de cono hueco proporcionan las distribuciones de tamaño de gota más pequeñas. La gama relativa de tamaños de gota tiende a ser más estrecha que la de otros estilos hidráulicos.
El patrón de cono hueco también se puede lograr mediante el diseño en espiral de la boquilla. Esta boquilla incide el fluido sobre una espiral que sobresale. Esta forma de espiral divide el fluido en varios patrones de conos huecos. Al alterar la topología de la espiral, se puede hacer que los patrones de conos huecos converjan para formar un solo cono hueco.
Las boquillas de cono lleno brindan una cobertura de pulverización completa en un área de forma redonda, ovalada o cuadrada. Por lo general, el líquido se hace girar dentro de la boquilla y se mezcla con un 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 pulverización y la distribución del líquido dentro del patrón de cono dependen del diseño de la paleta y la ubicación con respecto al 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 proporcionan una distribución uniforme de pulverización de gotas de tamaño mediano a grande como resultado de su diseño central, que presenta grandes conductos 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 sobre 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 sale del orificio en línea con la tubería. En el diseño del deflector, el patrón de rociado es perpendicular a la tubería. Hay dos categorías de aspersión plana, cónica y uniforme, dependiendo de la uniformidad de la aspersión sobre el patrón de aspersión. Los patrones de aspersión planos con bordes ahusados se producen mediante boquillas de aspersión elípticas rectas. Este patrón de pulverización es útil para superponer patrones entre múltiples cabezales de boquilla. El resultado es una distribución uniforme en toda la superficie pulverizada. Las boquillas de aspersión planas no cónicas se utilizan en aplicaciones de limpieza que requieren un patrón de aspersión uniforme sin superposición en el área de aspersión.
En los inyectores de automóviles se utilizan habitualmente múltiples pulverizaciones de penacho. Las múltiples columnas se utilizan principalmente para proporcionar una mezcla óptima de combustible y aire a fin de reducir las emisiones contaminantes en diferentes condiciones operativas. Los inyectores automotrices de pluma múltiple pueden tener de 2 a 8 plumas. La ubicación precisa del centroide de estas columnas, los ángulos de las columnas individuales y el porcentaje de división 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 deben ajustarse usando la siguiente ecuación, donde Qw es la capacidad de agua y Spg es la gravedad específica del fluido utilizado, resultando el caudal volumétrico del fluido utilizado Qf.
La capacidad de la boquilla varía con la presión de pulverización. En general, la relación entre capacidad y 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 una pulverización sobre la superficie objetivo se expresa como fuerza/área, N/m 2 o lb/in 2 . 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 de 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 presión se llama impacto. Como ocurre con todos los patrones de pulverización, el impacto de la unidad disminuye a medida que aumenta la distancia desde la boquilla, aumentando así el tamaño del área de impacto.
El impacto de la pulverización, depende del caudal volumétrico Q y de la caída de presión según la siguiente ecuación. El tipo de boquilla y la distancia entre la boquilla y la superficie afectan la constante C.
El ángulo de pulverización diverge o converge con respecto al eje vertical. Como se ilustra en la figura siguiente, el ángulo de pulverización tiende a colapsar o divergir al aumentar la distancia desde el orificio. La cobertura de pulverización varía según el ángulo de pulverización. La cobertura teórica, C, de patrones de aspersión a varias distancias se puede calcular con la siguiente ecuación para ángulos de aspersión menores a 180 grados. Se supone que el ángulo de pulverización permanece constante a lo largo de toda la distancia de pulverización. Los líquidos más viscosos que el agua forman ángulos de pulverización más pequeños o chorros sólidos, dependiendo de la capacidad de la boquilla, la presión de pulverización y la viscosidad. Los líquidos con tensiones superficiales inferiores a las del agua producen ángulos de pulverización más amplios que los indicados para el agua. Los ángulos de pulverización normalmente se miden mediante métodos ópticos o mecánicos. Los métodos ópticos incluyen sombragrafía, tomografía de extinción y Mie Imaging. [6] Los ángulos de pulverización son importantes en aplicaciones de revestimiento para evitar la pulverización excesiva de los materiales recubiertos, en motores de combustión para evitar que se mojen las paredes del cilindro y en rociadores contra incendios para proporcionar una cobertura adecuada de la propiedad protegida.
El tamaño de la gota es el tamaño de las gotas de aspersión que forman el patrón de aspersión de la boquilla. [7] Las gotas de spray dentro de un spray determinado no son todas del mismo tamaño. Hay varias formas de describir el tamaño de las gotas dentro de un spray:
• Diámetro medio Sauter (SMD) o D32
• Diámetro mediano de volumen (VMD) DV0.5 y diámetro mediano de masa (MMD)
Los tamaños de gota se expresan en micrómetros (μm). Un micrómetro equivale a 1/25.400 de pulgada.
El tamaño y/o la distribución del volumen de las gotas en una pulverización normalmente se expresan mediante el tamaño frente al porcentaje de volumen acumulado.
Comparar distribuciones de tamaño de gota de boquillas alternativas puede resultar confuso. El factor de amplitud relativa (RSF) reduce la distribución a un solo número. El parámetro indica la uniformidad de la distribución del tamaño de las gotas. Cuanto más cerca esté este número de 1, más uniforme será la pulverización (es decir, la distribución más ajustada, la variación más pequeña entre el tamaño de gota máximo, Dmax, y el tamaño de gota mínimo, Dmin). RSF proporciona un medio práctico para comparar varias distribuciones de tamaños de gotas.
Las pulverizaciones se caracterizan normalmente por cantidades estadísticas obtenidas a partir de mediciones de tamaño y velocidad de 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 del tamaño y la 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 obtención de imágenes ópticas y el Doppler de fase. Todos estos métodos ópticos no son intrusivos. Si todas las gotas tuvieran la misma velocidad, las medidas del tamaño de la gota serían idénticas para todos los métodos. Sin embargo, existe una diferencia significativa entre la velocidad de gotas más grandes y más pequeñas. Estos métodos ópticos se clasifican en espaciales o basados en flujo. Un método de muestreo espacial mide las gotas en un volumen de medición finito. El tiempo de permanencia de las gotas en el volumen de medición influye en los resultados. Los métodos basados en flujo toman muestras 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 del spray. El ángulo de dispersión del patrón de difracción está inversamente relacionado con el 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 varios anillos de fotodiodos concéntricos. La señal de los fotodiodos se utiliza para calcular la distribución del tamaño de las gotas. Varias lentes permiten mediciones desde 1,2 hasta 1800 µm.
El método de obtención de imágenes ópticas utiliza una luz pulsada, láser o estroboscópica, para generar la imagen gráfica de la sombra que se utiliza para determinar el tamaño de la caída en el volumen de medición. Este método de medición espacial tiene un rango de 5 µm a 10.000 µm con cambios de configuración óptica y de lente. El software de análisis de imágenes procesa las imágenes sin procesar para determinar un diámetro de gota circular equivalente. Este método es más adecuado para cuantificar gotas de mayor diámetro en aerosoles de densidad media a baja, líquidos opacos (lodos) y ligamentos (gotas parcialmente formadas).
Phase Doppler, [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 de la gota y la velocidad se encuentra en el ángulo de fase entre las señales del detector y el cambio de frecuencia de la señal. Debido a que 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 corazón del método se encuentran rayos láser cruzados que crean patrones de interferencia (patrones espaciados regularmente 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 imágenes ópticas y Doppler de fase miden el tamaño de gotas individuales. Se debe cuantificar un número 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 son necesarios varios puntos de medición en un spray porque el tamaño de la gota varía a lo largo de la sección transversal del spray.
Tipo de boquilla y capacidad: las boquillas de cono lleno tienen el tamaño de gota más grande, seguidas de las boquillas de aspersión 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 más baja y disminuye con una presión más alta. Caudal: el caudal tiene un efecto directo sobre el tamaño de la gota. Un aumento en el caudal aumentará la caída de presión y disminuirá el tamaño de la gota, mientras que una disminución en el 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 en el ángulo de pulverización reducirá el tamaño de la gota, mientras que una reducción en el 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 spray. Un aumento en cualquiera de estas propiedades normalmente aumentará el tamaño de la gota.
Dentro de cada tipo de patrón de aspersión, las capacidades más pequeñas producen las gotas de aspersión más pequeñas y las capacidades más grandes producen las gotas de aspersión más grandes. El diámetro medio del volumen (VMD) se basa en el volumen de líquido rociado; por lo tanto, es una medida ampliamente aceptada
La densidad del área de la superficie de la gota es el producto del área de la superficie de la gota de aspersión y el número de gotas por unidad de volumen. La densidad del área superficial es muy importante en aplicaciones de evaporación y combustión ya que la tasa de evaporación local está altamente correlacionada con la densidad del área superficial. La extinción de la luz causada por las gotas dentro de un spray también es directamente proporcional a la densidad de la superficie. Los dos métodos más utilizados para medir la densidad del área superficial son la obtención de imágenes en lámina láser y la tomografía estadística de extinción. [11]
Los datos del tamaño de la gota 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 del tamaño de la gota.
Las pulverizaciones de líquidos de hidrocarburos se encuentran entre las aplicaciones de pulverización más importantes desde el punto de vista económico. 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 fundamental porque la gran superficie de una pulverización finamente atomizada mejora la tasa de evaporación del combustible. La dispersión del combustible en el aire de combustión es fundamental 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 centrales eléctricas alimentadas con carbón con depuradores líquidos. El hidróxido de calcio (cal) se atomiza en un secador por aspersión para eliminar los gases ácidos (SO2 y HCl) de las centrales eléctricas de carbón. El agua se rocía para eliminar las partículas sólidas utilizando una torre de aspersión o un depurador por aspersión ciclónico [14] Las torres de enfriamiento usan boquillas de aspersión para distribuir el agua.
Los aerosoles se utilizan ampliamente en la fabricación. [17] Algunas aplicaciones típicas son la aplicación de adhesivo, lubricación de cojinetes y herramientas de enfriamiento 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 fumigaciones agrícolas incluyen la fumigación de tierras de cultivo, bosques, césped y huertos. El pulverizador puede ser una boquilla manual, en un vehículo terrestre o en un avión. Los herbicidas, insecticidas y pesticidas se aplican por aspersión al suelo o al follaje de las plantas para distribuir y dispersar estos materiales. Ver aplicación aérea , aplicación de pesticidas , aspersor . El control de las características de la pulverización es fundamental para proporcionar cobertura del follaje y minimizar la deriva de la pulverización hacia áreas adyacentes. (deriva de pesticidas). La deriva de la pulverización se controla aplicándola únicamente en condiciones de viento y humedad apropiadas, y controlando el tamaño 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 que se pueden derivar. Los Spays, boquillas de un solo fluido, también se utilizan para enfriar animales.
Los atomizadores se utilizan con pulverizadores de productos de limpieza domésticos accionados por bomba. La función de estas boquillas es distribuir el producto sobre una zona. Ver aerosol y bote de spray.
