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Vues : 104 Auteur : Éditeur du site Heure de publication : 2019-08-13 Origine : Site
L'atomisation liquide est un processus dans lequel un film liquide, perturbé par suffisamment de perturbations de surface dans la direction normale, se sépare de la surface et se divise en petites gouttelettes, telles qu'un brouillard en phase gazeuse. L'atomisation de liquide joue un rôle important dans le séchage par pulvérisation, le revêtement, le refroidissement par pulvérisation, l'incinération et la combustion de combustibles liquides et de déchets, la préparation de poudre fine, la préparation d'émulsion et d'autres processus industriels. Dans ces applications, la plupart des gouttelettes doivent avoir la distribution de taille requise.
Différents types de processus d'atomisation sont adoptés et les effets du transfert d'énergie sur l'atomisation de surface du film liquide peuvent être classés. Les procédés d'atomisation mécaniques ou traditionnels, tels que l'atomisation à deux fluides, l'atomisation sous pression et l'atomisation à disque, utilisent l'énergie mécanique pour pressuriser ou augmenter l'énergie cinétique du liquide afin qu'il puisse se décomposer sous forme de gouttelettes. Ces processus nécessitent plus d’énergie et ne peuvent pas contrôler la taille finale des gouttelettes ni la vitesse d’injection.
Contrairement à l'atomisation traditionnelle, l'atomisation par ultrasons peut être plus efficace. Il suffit que l'énergie électrique soit transmise au transducteur piézoélectrique pour faire résonner la buse. Les gouttelettes n'ont pas de pièces mobiles, seules les vibrations mécaniques générées par l'énergie électrique fournie sont utilisées pour produire des gouttelettes. Aucune énergie supplémentaire n’étant nécessaire, la distribution granulométrique des gouttelettes peut être mieux contrôlée par atomisation ultrasonique.
Le diamètre moyen des gouttelettes produites par les pics capillaires à 10-800 kHz de fréquences de vibration forcées de différents fluides de travail (y compris l'eau, l'huile et la cire fondue) est établi, et la relation entre le diamètre moyen des gouttelettes pulvérisées est établie. dp = 0,34*8π / ρf2
Solution |
Température 25 ° C |
||
superficielle Tension ( N/m) |
Densité (kg / m ⊃3; ) |
Viscosité ⊃2 (N s/m ; )
|
|
Eau |
0.0728 |
997 |
0.00089 |
20% de glycérol |
0.071 |
1045.25 |
0.0015 |
40% de glycérol |
0.07 |
1097.1 |
0.0035 |
60% de glycérol |
0.069 |
1151 |
0.0088 |
20 % d'éthanol M |
0.047 |
965 |
0.0013 |
40 % d'éthanol M |
0.036 |
932 |
0.0015 |
60 % d'éthanol M |
0.029 |
912 |
0.0014 |
0,1 % de CMC |
0.063 |
1001 |
0.017 |
0,5% CMC |
0.061 |
1005 |
0.062 |
La génération d'atomisation ultrasonique est basée sur l'effet d'onde capillaire et l'effet de cavitation. Lorsqu'une faible puissance est appliquée à un atomiseur ultrasonique de 20 kHz, une structure de grille régulière est observée sur la surface de l'atomiseur, qui présente le même nombre de pics et de creux par unité de surface, appelée onde capillaire. Cette faible puissance absorbée produit des interférences de surface sans injection réelle de gouttelettes.
La cavitation est un phénomène microscopique qui ne peut pas être observé directement à la surface de la tête d'atomisation à l'œil nu. Il existe deux types différents de gouttelettes, à savoir les gouttelettes et les rayures quasi sphériques, qui ont une vitesse plus élevée, et les gouttelettes quasi sphériques ont une vitesse moindre. La cavitation peut être déterminée.
La formation de cavités à proximité de la surface de l'atomiseur et dans le film liquide et l'effondrement ultérieur de ces cavités entraînent la libération locale d'une grande quantité d'énergie ; par conséquent, comparé à la faible vitesse de pulvérisation observée dans le cas de la propagation des ondes capillaires, l'effet de cavitation augmente considérablement la vitesse de pulvérisation des gouttelettes. Dans le même temps, la surface occupée par le liquide à l’extrémité de l’atomiseur diminue avec l’augmentation de la fréquence de l’atomiseur, ce qui rend difficile la captation des ondes capillaires en surface.
La taille des gouttelettes diminue avec l’augmentation de la fréquence d’irradiation. Avec l'augmentation de la fréquence, la diminution de la longueur d'onde entraîne la compression des nœuds d'amortissement et des nœuds d'onde. Le liquide atomisé est exposé à des phases plus comprimées dans la circulation, ce qui entraîne une diminution du taux de croissance maximal et de la taille des gouttelettes correspondante. Avec l’augmentation de la fréquence, la surface d’atomisation pouvant être utilisée pour former des gouttelettes diminue. La vitesse seuil du liquide nécessaire pour couvrir toute la surface augmente avec l'augmentation de la fréquence.
La limite supérieure de débit de l'atomiseur haute fréquence avant la chute est inférieure à celle de l'atomiseur basse fréquence. La longueur d'onde de l'onde capillaire diminue avec l'augmentation de la fréquence de l'atomiseur. Le résultat final est que la taille des gouttelettes diminue et que le taux d’éjection des gouttelettes (le nombre de gouttelettes par unité de temps) augmente depuis la surface.
La taille des gouttelettes (dp) augmente avec l'augmentation du débit (Q), ce qui peut être attribué à l'augmentation de l'épaisseur du film liquide formé sur la surface vibrante avant l'atomisation proprement dite. Lorsque le débit de liquide est légèrement supérieur au débit critique nécessaire pour mouiller complètement la surface de la pointe de la buse, le liquide se diffuse sous la forme d'un mince film liquide et présente de multiples ondes capillaires composées de pics et de creux.
Lorsque la vitesse du liquide est évidemment plus élevée et que les conditions de vibration ultrasonique restent inchangées, une couche de liquide plus épaisse se forme à la surface de l'atomiseur, ce qui entraîne la déformation d'une onde capillaire uniforme. Cette onde capillaire irrégulière conduit à la formation de gouttelettes avec une taille de gouttelettes plus élevée et une distribution de taille plus grande. De plus, avec l'augmentation de l'épaisseur de la couche à la surface de l'atomiseur, des bulles de cavitation oscillantes ou des bulles sont observées très près de la surface de l'atomiseur, qui se développent rapidement et s'effondrent pour pulvériser prématurément des gouttelettes du sommet, entraînant un effet de cavitation. Toute augmentation supplémentaire du débit entraînera la chute des gouttelettes et la distribution de la taille des gouttelettes deviendra plus large.
Débit critique : débit requis pour mouiller complètement la surface de la pointe de la buse. Formule de calcul : Qcrit = σ / fρ
La taille des gouttelettes augmente avec l’augmentation de la puissance ultrasonique. Des gouttelettes de grande taille ont été observées à un débit plus élevé et à une consommation d’énergie liquide plus élevée. Avec l'augmentation de la puissance ultrasonique, l'amplitude des vibrations à l'extrémité de l'atomiseur augmente, entraînant un changement de forme du flux d'atomisation de radial à conique. Lorsque le liquide se diffuse sur toute la surface de l'atomiseur avec des ultrasons de faible puissance, le liquide peut utiliser toute la puissance transférée à la pointe, ce qui entraîne une réduction de la taille des gouttes. Avec l'augmentation de la puissance, l'intensité de fonctionnement augmente, car la zone de couverture liquide de la pointe de la buse diminue.
La vitesse des gouttelettes augmente avec l’augmentation de la puissance ultrasonique, ce qui peut également être attribué à l’augmentation de l’amplitude des vibrations à la pointe de l’atomiseur et à l’augmentation de l’effet de cavitation dans la libération d’énergie acoustique. Lorsque le mouvement de pulvérisation est vertical, la gravité affecte également l'énergie cinétique des gouttelettes de taille supérieure à 150 um. Pour des applications telles que les revêtements de surface, il n'est pas souhaitable de fonctionner dans des conditions de puissance élevée, car les gouttelettes rebondissent après avoir heurté la surface et peuvent former des formes irrégulières sur la surface, entraînant un revêtement irrégulier.
Expliquer la dépendance directe de l'amplitude de la pointe de vibration sur la dissipation de puissance : Puissance = ρCSU2 / 2 I = ρCSU2 / 2
La vitesse acoustique est définie comme （U） (Am × ω0) = (Am × 2πf)
je = ρC(Am*2πf)2 /2
La taille des gouttelettes diminue légèrement avec l'augmentation de la viscosité du liquide. À mesure que la viscosité du liquide augmente, l’atomiseur a besoin de plus d’énergie pour décomposer la couche liquide en gouttelettes. Initialement, sans désintégration immédiate, la couche liquide restait à la surface de l’atomiseur pendant un certain temps avant de se diviser en gouttelettes. Par conséquent, il n’y a pas d’atomisation au stade initial et le liquide oscille à la surface de l’atomiseur car l’amplitude dissipe l’énergie visqueuse et augmente la température, ce qui n’est pas observé dans le liquide moins visqueux. Après un certain temps, en raison de la dissipation de l'énergie mécanique provoquée par les événements de cavitation, la température de la couche liquide à la surface augmente, puis l'atomisation du liquide est observée. Comparés aux liquides à faible viscosité (au même débit de liquide), les liquides à haute viscosité nécessitent plus d'énergie pour l'atomisation.
Avec la diminution de la tension du liquide, les particules atomisées diminuent également. La diminution de la tension superficielle entraîne une diminution de la longueur d’onde capillaire superficielle. Le nombre d'ondes capillaires par région de vibration unitaire augmente et l'amplitude des ondes capillaires est plus grande. Les gouttelettes sont immédiatement éjectées du pic. Par conséquent, à la même vitesse du liquide, le nombre de gouttelettes pulvérisées augmente à mesure que la taille des gouttelettes diminue.
La puissance ultrasonore et l'énergie de surface du film liquide sont conservées avec l'énergie cinétique et l'énergie de surface de la gouttelette. Ainsi, l’augmentation de l’énergie cinétique de la gouttelette est liée à la diminution de la taille de la gouttelette. De plus, comme le film liquide occupe une très fine couche sur la surface vibrante et adhère presque à la surface de l’atomiseur, la diminution de la tension superficielle est susceptible d’augmenter la croissance des bulles de cavitation de vapeur. Cela entraîne la rupture des bulles dans le mince film liquide à la surface de l'atomiseur, ce qui entraîne des gouttelettes plus petites, mais une pulvérisation à une vitesse plus élevée.
En fonction de la variation de la taille des gouttelettes avec les paramètres de fonctionnement (y compris les paramètres de l'équipement, les propriétés physiques et chimiques et le débit des gouttelettes), la formule de corrélation permettant de prédire la taille des gouttelettes a été établie. En première approximation, la méthode la plus simple est basée sur la corrélation d'ajustement, en supposant que la loi de puissance change en fonction des variables indépendantes. En fonction de la variation de la taille des gouttelettes avec les paramètres de fonctionnement (y compris les paramètres de l'équipement, les propriétés physiques et chimiques et le débit des gouttelettes), la formule de corrélation permettant de prédire la taille des gouttelettes a été établie. En première approximation, la méthode la plus simple est basée sur la corrélation d'ajustement, en supposant que les changements de loi de puissance des variables indépendantes （Q，μ，σ，ρ，f，I） et la meilleure corrélation d'ajustement obtenue sont les suivantes :
(Plage variable Q = 0,5 à 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)。
Variables communes de l'atomisation
Suis |
Amplitude de pointe (m) |
t |
Épaisseur du film liquide (m) |
C |
Vitesse du son en milieu liquide (m/s) |
U |
Vitesse de l'onde sonore (m/s) |
dp |
Diamètre des gouttelettes (m) |
µ |
Viscosité du liquide ( N s/m ⊃2; ) |
f |
Fréquence d'excitation (1/s) |
λ |
d' onde Longueur (m) |
je |
Intensité des ultrasons (W/m ⊃2; ) |
ρ |
Densité du liquide (kg/m ⊃3; ) |
Q |
Débit volumique (m ⊃3; /s) |
σ |
Tension superficielle (N/m) |
Qcrit |
Débit volumique critique (m ⊃3 ; /s) |
S |
Surface de l'atomiseur (m ⊃2; ) |
