Какой размер капель создают форсунки и какие единицы измерения используются

При выборе различных типов форсунок и их сравнении по размеру капель очень важно использовать один и тот же показатель. Размер капель измеряют в микронах мкм, μm! Это величина равная миллионной доле метра или тысячной доле миллиметра.

В каждой распыленной среде имеются капли разных размеров, от самых маленьких до больших. Даже теоретически невозможно добиться распыления, при котором все капли будут точно одинакового размера. Поэтому, хотя и размер каждой отдельной капли — величина конкретная, но общая дисперсность распыления — это величина расчетная.

И тут варианты размеров капель могут быть разными, исходя из разной методологии их расчета. Поэтому для более глубокого понимания темы размера капель, сначала определимся с терминологией.

Единицы измерения и обозначения величин размеров капель

D_V10 (10% объемный диаметр)

Это максимальный диаметр (от 0 и до этой величины) cамых маленьких капель, общий накопленный объем которых составляет 10% от всего распыленного объема.

Соответственно оставшиеся 90% объема содержат капли большего размера.

D₁₀ (средний арифметический диаметр)

Средний арифметический диаметр капель – это величина, рассчитанная как среднее арифметическое значений всех размеров капель.

Т.е. диаметры всех распыленных капель сложили и разделили на их количество и получили диаметр D₁₀.

D₂₀ (средний поверхностный диаметр)

Средний поверхностный диаметр капель — это величина, рассчитанная исходя из общей площади всех распыленных капель.

Т.е. суммарную площадь поверхность всех капель разделили на их общее количество и, исходя из площади поверхности одной капли, рассчитали величину D₂₀.

D₃₀ (средний объемный диаметр)

Средний объемный диаметр капель — это величина, рассчитанная исходя из общего объема всех распыленных капель.

Т.е. весь распыленный объем жидкости разделили на количество капель и, исходя из объема одной капли, рассчитали величину D₃₀.

D₄₃ (средний массовый диаметр, MMD — Median Mass Diameter)

Средний массовый диаметр капель — это величина, рассчитанная исходя из массы всех распыленных капель.

Т.е. весь массу всех распыленных капель разделили на количество капель и, исходя из этой массы с учетом плотности жидкости, рассчитали величину D₄₃.

D₃₂ (средний диаметр Заутера)

Данная величина была введена немецким ученым Йозефом Заутером (Josef Sauter). В некоторой литературе встречается русскоязычное произношение, как Саутер.

Средний диаметр Заутера – это диаметр такой капли, которая имеет такое же отношение объема к своей поверхности, что и общий объем всех распыленных капель по отношению к общей поверхности всех капель.

Средний диаметр капли по Заутеру

Средний диаметр Заутера является важной характеристикой для процесса распыления и очень часто используется для теоретических расчетов. Средний диаметр Заутера является принятой международной величиной.

Формула расчета среднего диаметра Заутера

Пример использования D₃₂

Для некого применения, чтобы создать нужную реакцию, требуется общая площадь поверхности капель 136 м²/мин. Расход реагента при этом должен составлять 25 л/мин при определенном давлении.

Какой размер капель обеспечит такую общую площадь реакции?

Какое давление обеспечит создание заданных условий?

Используя формулу для среднего диаметра Заутера можно высчитать необходимый размер капель и подобрать форсунку правильного типа распыления и/или подобрать правильное рабочее давление, увеличив или уменьшив его (давление влияет на размер капель).

Далее, исходя из имеющихся у Лехлера накопленных за многие годы данных, можем подобрать необходимый тип форсунки и давление.

Ответ: Необходимые условия распыления может обеспечить аксиальная полноконусная форсунка при давлении 2 bar.

D_V50 (средний объемный диаметр, MVD — Median Volume Diameter)

Средний объемный диаметр (MVD) – это средний показатель размера капель рассчитанный исходя из половины распыленного объема.

50% объема разделили на количество капель в нем, получили средний объем одной капли и из него рассчитали ее диаметр D_V50.

Т.е. 50% измеренных по объему капель имеют этот размер или меньше, а оставшиеся 50% объема имеют капли больше этой величины.

D_V90 (90% объемный диаметр)

Это максимальный диаметр (от 0 и до этой величины) капель, общий накопленный объем которых составляет 90% от всего распыленного объема.

Т.е. 90% измеренных по объему капель имеют этот размер или меньше, а оставшиеся 10% объема имеют капли больше этой величины.

D_max

Это величина определяющая максимальный размер капли, имеющейся в распыленной среде.

Из ниже приведенного графика становится максимально понятно, что такое разные значения объемного диаметра D_V10, D_V50 и D_V90.

Все эти варианты расчетных размеров капли могут применяться в разных отраслях науки и техники для разных расчетов.

Наиболее важными и наиболее применимыми для распылительных технологий являются:

— D₂₀ (средний поверхностный диаметр)

— D₃₀ (средний объемный диаметр)

— D₃₂ (средний диаметр Заутера)

— структура распределения капель по объемному диаметру D_V, позволяющая оценить разброс капель по размеру и, соответственно, равномерность самого распыления.

Анализ отчета о измерении размера капли методом PDA

Компания Lechler имеет в своей лаборатории высокоточное измерительное оборудование, позволяющее замерять размеры капель максимально точным методом – методом фазовой доплеровской анемометрии PDA (Phase Doppler Anemometry). Более подробно с основными измеряемыми характеристиками форсунок и методами их измерения можно ознакомится по ссылке.

В результате измерения PDA методом система выдает отчет вот в таком виде:

Из данного отчета можно получить следующую информацию:

— какая форсунка измерялась, когда и при каких условиях;

— размеры капель D₂₀, D₃₀, D₃₂ и распределение капель по объему от D_V10 до D_V99, и D_max.

— график распределения капель по размеру и их количеству;

— график распределения капель по размеру и накопленному общему объему.

Это очень полезная информация для специалистов. Такая информация уже накоплена Лехлером по абсолютному большинству всего ассортимента форсунок. По запросу мы можем предоставить эту информацию в короткий срок.

Однако, если по какой-то продукции нет таких данных или нужны определённые конкретные условия (испытание при давлении заказчика) их можно получить по более длительному запросу.

Лехлер также проводит испытания и на платной основе. Стоимость одного самого простого измерения начинается от 500 евро. Надо учитывать еще, что существует очередь несколько недель на проведение испытаний в связи с высокой загрузкой измерительного оборудования. Также надо понимать, что все измерения и испытания в лаборатории Лехлера проводятся только на воде. Использование других жидкостей, даже безопасных и неагрессивных, крайне маловероятно.

Рассмотрим далее более подробно две диаграммы из отчета.

Первая — Numerical Diameter.

Это численное распределение размеров капель по размерам и количеству в процентах. Измерение нам дало данные о тысячах измеренных одиночных капель. Они все разного размера. Диаграмма показывает, какой процент измеренных капель находится в определенном размере.

Пример из данной диаграммы: 10,6% капель по количеству имеют размер от 8 до 12 мкм.

Вторая — Cumulative Volume.

Диаграмма иллюстрирует какова доля объема капель равна или меньше заданного размера.

Пример из данной диаграммы: 80% общего объема измеренных капель имеют размер 80 мкм или меньше.

Основные вопросы, возникающие в работе с клиентами, связанные с размером капель форсунок

Теперь, немного поняв теоретические основы измерения капель, обсудим в формате Вопрос-Ответ некоторые практические моменты из опыта и практики.

Вопрос 1: Насколько велико отличие средней капли и средний диаметр Заутера? Какое из этих значений лучше использовать при выборе правильного распыления?

Ответ: Средний арифметический диаметр капли D₁₀ соответствует среднему диаметру капли, но эта величина не имеет большого практического значения.

Так, например (чисто теоретически, для наглядности), в распыленной смеси может быть 50% капель с размером 10 мкм и 50% капель с размером 190 мкм. В среднем их размер получится 100 мкм.

И, к сожалению, эта величина ничего не даст для правильного расчета распыления, даже наоборот приведет к ошибкам. Общая реакционная площадь смеси, рассчитанная от этой величины, будет ошибочной, с огромными погрешностями.

Поэтому именно диаметр Заутера D₃₂ чаще всего используется в технологических процессах, так как с его помощью можно рассчитать общую поверхность распыленной жидкости. О том, что это за величина D₃₂, как она рассчитывается и пример использования смотри выше.

Вопрос 2: Начиная с какого размера капли можно говорить об аэрозольном, туманообразном распылении?

Ответ: Туманообразное распыление начинает с размера капли меньше 50 мкм. В природе густой туман обычно содержит капли размером от 20 до 40 мкм, тогда как также может присутствовать несколько капель большего размера. Для примера, также скажем, что легкий морской бриз имеет размер капель около 200 мкм, моросящий дождь — около 450 мкм, ливень – 1000-1500 мкм.

Вопрос 3: Начиная с какого размера капли являются вдыхаемыми?

Ответ: Частицы диаметром 1-10 мкм обычно считаются вдыхаемыми.

Частицы размером более 10 мкм отфильтровываются в верхних органах дыхания человека до того, как они достигнут легких. Частицы размером менее 1 мкм ведут себя аналогично газу и не осаждаются в легком, однако они могут всасываться в кровь.

Вопрос 4: Каковы реальные пределы и возможности разных типов форсунок? Можно ли добиться распыления 5-10 мкм с помощью обычных однофазных или двухфазных форсунок (атомайзеров)?

Ответ: Пределы распыления различных типов форсунок, с разными расходами и при различном давлении указаны ниже в таблице с использование показателя D_32.

Таблица значений размера капель различных типов форсунок

Из таблицы видно, что просто физически невозможно добиться однородного распыления с размером капли 5-10 мкм. Это крайне мелкое распыление, уже достаточно близкое к газообразному состоянию. Ни однофазные форсунки, ни специальные двухфазные форсунки, использующие сжатый воздух, не дают таких мелких размеров капли.

Да, в распыленной смеси будут капли такого мелкого размера (см. подробнее диаграммы выше) и даже количество их может быть достаточно большое в процентах от общего количества. Но, объем жидкости, распыленной с такой дисперсией, будет достаточно мал. Основную долю объема будет давать средние и крупные капли.

И это не является какой-то недоработкой или технологическим отставанием Лехлера от конкурентов! И тем более, не означает, что Лехлер не знает или не умеет правильно распылять воду, чтобы получить ультрамелкую каплю. Просто многие недобросовестные производители, зачастую сознательно, умалчивают или недоговаривают о таких особенностях распределения капель по размеру в распыляемом потоке. Имейте это ввиду!

Вопрос 5: Можно ли сделать капли меньше, используя более высокое давление?

Ответ: Да, это, как правило, так. Более высокое давление означает, что имеется больше энергии для распыления жидкости на меньшие капли.

Вопрос 6: Насколько давление влияет на размер капель для разных типов форсунок?

Ответ: При изменении давления меняется и размер капель.

Двухфазные форсунки, особенно с внутренним смешиванием, реагируют на изменение давления с гораздо большей чувствительностью, чем однофазные гидравлические форсунки.

Следующие утверждения представляют собой только эмпирические значения и должны использоваться только для приблизительной оценки.

Однофазные гидравлические форсунки:

При изменении давления на 10% размер капель меняется на значительно меньший процент, приблизительно от 3 до 5%.

Двухфазные форсунки с внешним смешиванием:

Изменение давления на 5% на стороне воды меняет размер капель приблизительно на 30%.

Изменение давления на 5% на стороне воздуха меняют размер капель приблизительно на 20%.

Двухфазные форсунки с внутренним смешиванием:

Очень чувствительны к изменению давления, но разные серии ведут себя по-разному.

В некоторых случаях, например, у форсунок Лаваля размер капель меняется на 500%, если давление меняется на 5% со стороны воды или воздуха.

Вопрос 7: Меняется ли размер капель между форсунками одного типа, но с разными диаметрами выходных отверстий и расходом? Влияет ли на размер капель различные углы распыления?

Ответ: Первое общее правило — форсунка с бόльшим отверстием и, соответственно, бόльшим расходом из одной и той же серии, будет создавать бόльшие по размеру капли.

Второе общее правило – (и для плоскоструйных, и полоконусных, и полноконусных форсунок) капли становятся меньше по мере увеличения угла распыления. Это связано с тем, что жидкость может быть распределена по большей площади, чем для форсунки с таким же расходом, но с меньшим углом распыления.

Вопрос 8: Как распределяются капли пространственно (т.е. как распределяются капли по ширине факела распыла) — большие в центре и малые снаружи?

Ответ: На этот вопрос нет однозначного для всех типов форсунок ответа, всё зависит от типа форсунки, давления, расхода, угла распыления.