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Aufrufe: 104 Autor: Site-Editor Veröffentlichungszeit: 13.08.2019 Herkunft: Website
Die Flüssigkeitszerstäubung ist ein Prozess, bei dem sich ein Flüssigkeitsfilm, der durch ausreichende Oberflächenstörungen in Normalrichtung gestört wird, von der Oberfläche trennt und in kleine Tröpfchen, beispielsweise Nebel in der Gasphase, aufspaltet. Die Flüssigkeitszerstäubung spielt eine wichtige Rolle bei der Sprühtrocknung, Beschichtung, Sprühkühlung, Verbrennung und Verbrennung von flüssigen Brennstoffen und Abfällen, der Herstellung von Feinpulver, der Herstellung von Emulsionen und anderen industriellen Prozessen. Bei diesen Anwendungen müssen die meisten Tröpfchen die erforderliche Größenverteilung aufweisen.
Es werden verschiedene Arten von Zerstäubungsprozessen eingesetzt und die Auswirkungen der Energieübertragung auf die Oberflächenzerstäubung von Flüssigkeitsfilmen können klassifiziert werden. Bei mechanischen oder herkömmlichen Zerstäubungsprozessen wie der Zweistoffzerstäubung, der Druckzerstäubung und der Scheibenzerstäubung wird mechanische Energie genutzt, um die Flüssigkeit unter Druck zu setzen oder ihre kinetische Energie zu erhöhen, sodass sie in Form von Tröpfchen zerfallen kann. Diese Prozesse erfordern mehr Energie und können die endgültige Tröpfchengröße und Injektionsgeschwindigkeit nicht steuern.
Im Gegensatz zur herkömmlichen Zerstäubung kann die Ultraschallzerstäubung effizienter sein. Es muss lediglich elektrische Energie an den piezoelektrischen Wandler übertragen werden, um die Düse in Resonanz zu versetzen. Tröpfchen haben keine beweglichen Teile, zur Tröpfchenerzeugung werden lediglich mechanische Schwingungen genutzt, die durch die bereitgestellte elektrische Energie erzeugt werden. Da keine zusätzliche Energie benötigt wird, lässt sich die Größenverteilung der Tröpfchen durch Ultraschallzerstäubung besser steuern.
Der durchschnittliche Durchmesser von Tröpfchen, die durch Kapillarspitzen bei 10–800 kHz erzwungener Vibrationsfrequenzen verschiedener Arbeitsflüssigkeiten (einschließlich Wasser, Öl und geschmolzenes Wachs) erzeugt werden, wird ermittelt und die Beziehung zwischen dem durchschnittlichen Durchmesser von Sprühtröpfchen wird ermittelt. dp = 0,34*8π / ρf2
Lösung |
Temperatur 25 ° C |
||
Oberflächenspannung / ( N m) |
Dichte ⊃3 (kg/m ; ) |
V iskosität (N s/m ⊃2; )
|
|
Wasser |
0.0728 |
997 |
0.00089 |
20 % G- Lycerin |
0.071 |
1045.25 |
0.0015 |
40 % G- Lycerin |
0.07 |
1097.1 |
0.0035 |
60 % G- Lycerin |
0.069 |
1151 |
0.0088 |
20 % M -Ethanol |
0.047 |
965 |
0.0013 |
40 % M -Ethanol |
0.036 |
932 |
0.0015 |
60 % M -Ethanol |
0.029 |
912 |
0.0014 |
0,1 % CMC |
0.063 |
1001 |
0.017 |
0,5 % CMC |
0.061 |
1005 |
0.062 |
Die Erzeugung der Ultraschallzerstäubung basiert auf dem Kapillarwelleneffekt und dem Kavitationseffekt. Wenn an einen 20-kHz-Ultraschallzerstäuber eine geringe Leistung angelegt wird, wird auf der Oberfläche des Zerstäubers eine regelmäßige Gitterstruktur beobachtet, die die gleiche Anzahl von Spitzen und Tälern pro Flächeneinheit aufweist, was als Kapillarwelle bezeichnet wird. Diese geringe Leistungsaufnahme erzeugt Oberflächeninterferenzen ohne tatsächliche Tröpfcheninjektion.
Kavitation ist ein Mikrophänomen, das mit bloßem Auge nicht direkt auf der Oberfläche des Zerstäuberkopfes beobachtet werden kann. Es gibt zwei verschiedene Arten von Tröpfchen: nahezu kugelförmige Tröpfchen und Streifen mit höherer Geschwindigkeit und nahezu kugelförmige Tröpfchen mit geringerer Geschwindigkeit. Kavitation kann ermittelt werden.
Die Bildung von Hohlräumen nahe der Zerstäuberoberfläche und im Flüssigkeitsfilm und der anschließende Kollaps dieser Hohlräume führen zur lokalen Freisetzung großer Energiemengen; Daher erhöht der Kavitationseffekt im Vergleich zu der niedrigen Sprühgeschwindigkeit, die bei der Ausbreitung von Kapillarwellen beobachtet wird, die Sprühgeschwindigkeit der Tröpfchen erheblich. Gleichzeitig nimmt die von der Flüssigkeit an der Spitze des Zerstäubers eingenommene Oberfläche mit zunehmender Frequenz des Zerstäubers ab, was es schwierig macht, Kapillarwellen auf der Oberfläche einzufangen.
Die Tröpfchengröße nimmt mit zunehmender Bestrahlungsfrequenz ab. Mit zunehmender Frequenz führt die Abnahme der Wellenlänge zur Kompression von Dämpfungsknoten und Wellenknoten. Die zerstäubte Flüssigkeit wird in der Zirkulation stärker komprimierten Phasen ausgesetzt, was zu einer Verringerung der Spitzenwachstumsrate und der entsprechenden Tröpfchengröße führt. Mit zunehmender Frequenz nimmt die Zerstäubungsoberfläche ab, die zur Tröpfchenbildung genutzt werden kann. Die zur Abdeckung der gesamten Oberfläche erforderliche Grenzgeschwindigkeit der Flüssigkeit nimmt mit zunehmender Frequenz zu.
Die obere Durchflussgrenze des Hochfrequenzzerstäubers vor dem Tropfen ist niedriger als die des Niederfrequenzzerstäubers. Die Wellenlänge der Kapillarwelle nimmt mit zunehmender Zerstäuberfrequenz ab. Das Endergebnis ist, dass die Tröpfchengröße abnimmt und die Tröpfchenausstoßrate (die Anzahl der Tröpfchen pro Zeiteinheit) von der Oberfläche zunimmt.
Die Tröpfchengröße (dp) nimmt mit zunehmender Durchflussrate (Q) zu, was auf die Zunahme der Dicke des Flüssigkeitsfilms zurückzuführen ist, der sich vor der eigentlichen Zerstäubung auf der vibrierenden Oberfläche bildet. Wenn die Flüssigkeitsdurchflussrate etwas höher ist als die kritische Durchflussrate, die erforderlich ist, um die Spitzenoberfläche der Düse vollständig zu benetzen, diffundiert die Flüssigkeit als dünner Flüssigkeitsfilm und weist mehrere Kapillarwellen auf, die aus Spitzen und Tälern bestehen.
Wenn die Flüssigkeitsgeschwindigkeit offensichtlich höher ist und der Ultraschallschwingungszustand unverändert bleibt, bildet sich eine dickere Flüssigkeitsschicht auf der Oberfläche des Zerstäubers, was zur Verformung einer gleichmäßigen Kapillarwelle führt. Diese unregelmäßige Kapillarwelle führt zur Bildung von Tröpfchen mit größerer Tröpfchengröße und größerer Größenverteilung. Darüber hinaus werden mit zunehmender Dicke der Schicht auf der Oberfläche des Zerstäubers oszillierende Kavitationsblasen oder Blasen sehr nahe an der Oberfläche des Zerstäubers beobachtet, die schnell wachsen und vorzeitig von der Spitze zu Sprühtröpfchen zusammenfallen, was zu einem Kavitationseffekt führt. Jede weitere Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit führt dazu, dass Tröpfchen fallen und die Tröpfchengrößenverteilung breiter wird.
Kritische Durchflussrate: Die Durchflussrate, die für eine vollständige Benetzung der Düsenspitzenoberfläche erforderlich ist. Berechnungsformel: Qcrit = σ / fρ
Mit zunehmender Ultraschallleistung nimmt die Tröpfchengröße zu. Bei höherer Durchflussrate und höherem Flüssigkeitsstromverbrauch wurden große Tröpfchengrößen beobachtet. Mit zunehmender Ultraschallleistung nimmt die Schwingungsamplitude an der Spitze des Zerstäubers zu, was zu einer Änderung der Form des Zerstäuberstroms von radial zu konisch führt. Wenn die Flüssigkeit mit Ultraschall geringer Leistung auf die gesamte Oberfläche des Zerstäubers diffundiert, kann die Flüssigkeit die gesamte auf die Spitze übertragene Leistung nutzen, was zu einer Verringerung der Tropfengröße führt. Mit zunehmender Leistung nimmt die Betriebsintensität zu, da die Flüssigkeitsabdeckungsfläche der Düsenspitze abnimmt.
Die Geschwindigkeit der Tröpfchen nimmt mit zunehmender Ultraschallleistung zu, was auch auf die Zunahme der Schwingungsamplitude an der Spitze des Zerstäubers und die Zunahme des Kavitationseffekts bei der Freisetzung akustischer Energie zurückzuführen ist. Bei vertikaler Sprühbewegung beeinflusst die Schwerkraft auch die kinetische Energie von Tröpfchen, die größer als 150 µm sind. Für Anwendungen wie Oberflächenbeschichtungen ist es nicht wünschenswert, unter Hochleistungsbedingungen zu arbeiten, da Tröpfchen nach dem Auftreffen auf die Oberfläche zurückprallen und auf der Oberfläche unregelmäßige Formen bilden können, was zu einer ungleichmäßigen Beschichtung führt.
Erklären Sie die direkte Abhängigkeit der Schwingungsspitzenamplitude von der Verlustleistung: Leistung = ρCSU2 / 2 I =ρCSU2 / 2
Die Schallgeschwindigkeit ist definiert als （U） (Am × ω0) = (Am × 2πf)
I = ρC(Am*2πf)2 /2
Die Tröpfchengröße nimmt mit zunehmender Flüssigkeitsviskosität leicht ab. Mit steigender Flüssigkeitsviskosität benötigt der Zerstäuber mehr Energie, um die Flüssigkeitsschicht in Tröpfchen zu zerlegen. Zunächst blieb die Flüssigkeitsschicht ohne sofortigen Zerfall eine Zeit lang auf der Oberfläche des Zerstäubers, bevor sie in Tröpfchen zerfiel. Daher findet im Anfangsstadium keine Zerstäubung statt und die Flüssigkeit oszilliert auf der Oberfläche des Zerstäubers, da die Amplitude viskose Energie zerstreut und die Temperatur erhöht, was in der niedriger viskosen Flüssigkeit nicht beobachtet wird. Nach einiger Zeit steigt aufgrund der durch Kavitationsereignisse verursachten Dissipation mechanischer Energie die Temperatur der Flüssigkeitsschicht auf der Oberfläche an, und dann wird die Flüssigkeitszerstäubung beobachtet. Im Vergleich zu Flüssigkeiten mit niedriger Viskosität (bei gleicher Flüssigkeitsdurchflussrate) benötigen Flüssigkeiten mit hoher Viskosität mehr Energie für die Zerstäubung.
Mit abnehmender Flüssigkeitsspannung nehmen auch die zerstäubten Partikel ab. Die Abnahme der Oberflächenspannung führt zu einer Abnahme der Oberflächenkapillarwellenlänge. Die Anzahl der Kapillarwellen pro Einheitsschwingungsbereich nimmt zu und die Amplitude der Kapillarwellen ist größer. Die Tröpfchen werden sofort vom Gipfel ausgeschleudert. Daher nimmt bei gleicher Flüssigkeitsgeschwindigkeit die Anzahl der versprühten Tröpfchen zu, während die Tröpfchengröße abnimmt.
Die Ultraschallleistung und die Oberflächenenergie des Flüssigkeitsfilms bleiben mit der kinetischen Energie und der Oberflächenenergie des Tropfens erhalten. Daher hängt die Zunahme der kinetischen Energie des Tröpfchens mit der Abnahme der Tröpfchengröße zusammen. Da der Flüssigkeitsfilm außerdem eine sehr dünne Schicht auf der vibrierenden Oberfläche einnimmt und fast an der Oberfläche des Zerstäubers haftet, erhöht die Abnahme der Oberflächenspannung wahrscheinlich das Wachstum von Dampfkavitationsblasen. Dies führt zum Zerfall der Blasen im dünnen Flüssigkeitsfilm auf der Oberfläche des Zerstäubers, wodurch kleinere Tröpfchen entstehen, die jedoch mit höherer Geschwindigkeit versprüht werden.
Basierend auf der Variation der Tröpfchengröße mit den Betriebsparametern (einschließlich Geräteparametern, physikalischen und chemischen Eigenschaften und Durchflussrate der Tröpfchen) wurde die Korrelationsformel zur Vorhersage der Tröpfchengröße erstellt. Als erste Näherung basiert die einfachste Methode auf der Anpassungskorrelation unter der Annahme, dass sich das Potenzgesetz unabhängiger Variablen ändert. Entsprechend der Variation der Tröpfchengröße mit Betriebsparametern (einschließlich Geräteparametern, physikalischen und chemischen Eigenschaften und Durchflussrate der Tröpfchen) wurde die Korrelationsformel zur Vorhersage der Tröpfchengröße erstellt. Als erste Näherung basiert die einfachste Methode auf der Anpassungskorrelation, wobei davon ausgegangen wird, dass die Potenzgesetzänderungen unabhängiger Variablen (Q, μ, σ, ρ, f, I) und die erhaltene beste Anpassungskorrelation wie folgt sind:
(Variablenbereich Q = 0,5 bis 5 × 107 m3/s, f = 20–130 kHz, ρ = 912–1151 kg/m3, σ = 0,029–0,073 N/m, μ = 0,00089–0,088 N s/m2, I = 15907–913752,9 W/m2)。
Gemeinsame Variablen der Atomisierung
Bin |
Spitzenamplitude (m) |
T |
Flüssigkeitsfilmdicke (m) |
C |
Schallgeschwindigkeit im flüssigen Medium (m/s) |
U |
Geschwindigkeit der Schallwelle (m/s) |
dp |
Tropfendurchmesser (m) |
μ |
Flüssigkeitsviskosität ( N s/m ⊃2; ) |
F |
Anregungsfrequenz (1/s) |
λ |
Wellenlänge ( m) |
ICH |
Ultraschallintensität (W/m ⊃2; ) |
ρ |
Flüssigkeitsdichte (kg/m ⊃3; ) |
Q |
Volumenstrom (m ⊃3; /s) |
σ |
Oberflächenspannung (N/m) |
Qkrit |
Kritischer Volumenstrom (m ⊃3; /s) |
S |
Oberfläche des Zerstäubers (m ⊃2; ) |
