Boquillas de Pulverización

¿Qué es una Boquilla?

Una boquilla es un dispositivo diseñado para controlar la dirección o las características de un flujo de fluido (especialmente para aumentar la velocidad) cuando sale (o entra) en una cámara o tubería cerrada.

Una boquilla es a menudo una tubería o tubo de área de sección transversal variable, y se puede usar para dirigir o modificar el flujo de un fluido ( líquido o gas ). Las boquillas se usan con frecuencia para controlar la velocidad de flujo, la velocidad, la dirección, la masa, la forma y / o la presión de la corriente que emerge de ellas. En una boquilla, la velocidad del fluido aumenta a expensas de su energía de presión.

Tipos de Boquillas

  • Jet

    Un chorro de gas , chorro de fluido o hidrojet es una boquilla destinada a expulsar gas o fluido en una corriente coherente en un medio circundante. Los chorros de gas se encuentran comúnmente en estufas de gas , hornos o barbacoas . Los chorros de gas se usaban comúnmente para la luz antes del desarrollo de la luz eléctrica . Otros tipos de chorros de fluido se encuentran en los carburadores , donde se utilizan orificios suaves y calibrados para regular el flujo de combustible en un motor, y en jacuzzis o spas.

    Otro jet especializado es el jet laminar . Este es un chorro de agua que contiene dispositivos para suavizar la presión y el flujo, y proporciona flujo laminar , como su nombre lo indica. Esto da mejores resultados para las fuentes.

    El chorro de espuma es otro tipo de chorro que usa espuma en lugar de un gas o fluido.

    Las boquillas utilizadas para alimentar el alto horno en un alto horno o forja se denominan toberas.

    Las boquillas de chorro también se usan en habitaciones grandes donde la distribución de aire a través de difusores de techo no es posible o no es práctica. Los difusores que usan boquillas de chorro se denominan difusor de chorro donde se colocarán en las áreas de la pared lateral para distribuir el aire. Cuando la diferencia de temperatura entre el aire de suministro y el aire de la habitación cambia, la corriente de aire de suministro se desvía hacia arriba, para suministrar aire caliente, o hacia abajo, para suministrar aire frío.

  • Alta velocidad

    Con frecuencia, el objetivo de una boquilla es aumentar la energía cinética del medio que fluye a expensas de su presión y energía interna.

    Las boquillas se pueden describir como convergentes (reduciéndose de un diámetro ancho a un diámetro más pequeño en la dirección del flujo) o divergentes (expandiéndose de un diámetro más pequeño a uno más grande). Una boquilla de Laval tiene una sección convergente seguida de una sección divergente y a menudo se llama boquilla convergente-divergente (CD) ("boquilla con-di").

    Las boquillas convergentes aceleran los fluidos subsónicos. Si la relación de presión de la boquilla es lo suficientemente alta, entonces el flujo alcanzará la velocidad sónica en el punto más estrecho (es decir, la garganta de la boquilla ). En esta situación, se dice que la boquilla está obstruida.

    Aumentar aún más la relación de presión de la boquilla no aumentará el número de Mach de garganta por encima de uno. Aguas abajo (es decir, externo a la boquilla) el flujo es libre de expandirse a velocidades supersónicas; sin embargo, Mach 1 puede ser una velocidad muy alta para un gas caliente porque la velocidad del sonido varía según la raíz cuadrada de la temperatura absoluta. Este hecho se usa ampliamente en cohetería donde se requieren flujos hipersónicos y donde las mezclas de propulsores se eligen deliberadamente para aumentar aún más la velocidad sónica.

    Las boquillas divergentes ralentizan los fluidos si el flujo es subsónico, pero aceleran los fluidos sónicos o supersónicos.

    Por lo tanto, las boquillas convergentes-divergentes pueden acelerar los fluidos que se han ahogado en la sección convergente a velocidades supersónicas. Este proceso de CD es más eficiente que permitir que una boquilla convergente se expanda externamente de manera personal. La forma de la sección divergente también asegura que la dirección de los gases que escapan es directamente hacia atrás, ya que cualquier componente lateral no contribuiría al empuje.

  • Propulsores

    Un escape de chorro produce un empuje neto de la energía obtenida de la combustión del combustible que se agrega al aire inducido. Este aire caliente pasa a través de una boquilla de alta velocidad, una boquilla propulsora , que aumenta enormemente su energía cinética.

    El aumento de la velocidad de escape aumenta el empuje para un flujo de masa dado, pero hacer coincidir la velocidad de escape con la velocidad del aire proporciona la mejor eficiencia energética. Sin embargo, las consideraciones de impulso evitan que los aviones a reacción mantengan la velocidad mientras exceden su velocidad de escape. Los motores de los aviones supersónicos, como los de los cazas y los aviones SST (por ejemplo, Concorde ) casi siempre alcanzan las altas velocidades de escape necesarias para el vuelo supersónico mediante el uso de una boquilla CD a pesar de las penalizaciones de peso y costo; por el contrario, los motores de chorro subsónico emplean velocidades de escape subsónicas relativamente bajas y, por lo tanto, emplean boquillas convergentes simples, o incluso boquillas de derivación a velocidades aún más bajas.

    Los motores de cohetes maximizan el empuje y la velocidad de escape mediante el uso de boquillas convergentes-divergentes con relaciones de área muy grandes y, por lo tanto, relaciones de presión extremadamente altas. El flujo de masa es muy importante porque toda la masa propulsora se transporta con el vehículo, y son deseables velocidades de escape muy altas.

  • Magnético

    También se han propuesto boquillas magnéticas para algunos tipos de propulsión, como VASIMR , en el que el flujo de plasma es dirigido por campos magnéticos en lugar de paredes hechas de materia sólida.

  • Spray

    Muchas boquillas producen una pulverización muy fina de líquidos.

    • Las boquillas atomizadoras se usan para pintar con spray, perfumes, carburadores para motores de combustión interna , rociar sobre desodorantes , antitranspirantes y muchos otros usos similares.
    • La boquilla de aspiración de aire utiliza una abertura en la boquilla en forma de cono para inyectar aire en una corriente de espuma a base de agua (CAFS / AFFF / FFFP) para hacer que el concentrado "forme espuma". Se encuentra más comúnmente en extintores de espuma y líneas de mano de espuma.
    • Las boquillas de remolino inyectan el líquido tangencialmente, y se mueve en espiral hacia el centro y luego sale a través del orificio central. Debido al vórtice, esto hace que la pulverización salga en forma de cono.
  • Vacío

    Las boquillas de aspiradora vienen en varias formas diferentes. Las boquillas de vacío se utilizan en aspiradoras.

  • Dando forma

    Algunas boquillas están conformadas para producir una corriente que tiene una forma particular. Por ejemplo, el moldeo por extrusión es una forma de producir longitudes de metales o plásticos u otros materiales con una sección transversal particular. Esta boquilla generalmente se conoce como un dado.

Boquillas de pulverización

Una boquilla de pulverización es un dispositivo de precisión que facilita la dispersión del líquido en una pulverización . Las boquillas se usan para tres propósitos: distribuir un líquido sobre un área, aumentar el área de la superficie del líquido y crear fuerza de impacto en una superficie sólida. Una amplia variedad de aplicaciones de boquillas de rociado utilizan una serie de características de rociado para describir el rociado.

Las boquillas de pulverización se pueden clasificar en función de la entrada de energía utilizada para causar la atomización , la ruptura del fluido en gotas. Las boquillas de pulverización pueden tener una o más salidas; una boquilla de salida múltiple se conoce como boquilla compuesta. Las boquillas de aspersión van desde usos industriales pesados ​​hasta latas de aspersión livianas o botellas de aspersión.

  • Boquilla de fluido simple

    Las boquillas de pulverización de fluido único o hidráulico utilizan la energía cinética del líquido para dividirlo en gotas. Este tipo de boquilla de pulverización más ampliamente utilizado es más eficiente energéticamente en la producción de área de superficie que la mayoría de los otros tipos. A medida que aumenta la presión del fluido, aumenta el flujo a través de la boquilla y disminuye el tamaño de la gota. Se utilizan muchas configuraciones de boquillas de fluido individuales dependiendo de las características de pulverización deseadas.

    • Boquilla de orificio plano

      La boquilla de fluido simple más simple es una boquilla de orificio simple como se muestra en el diagrama. Esta boquilla a menudo produce poca o ninguna atomización, pero dirige la corriente de líquido. Si la caída de presión es alta, al menos 25 bares (2.500 kPa), el material a menudo se atomiza finamente, como en un inyector diesel. A presiones más bajas, este tipo de boquilla se usa a menudo para la limpieza del tanque, ya sea como una boquilla de pulverización compuesta de posición fija o como una boquilla giratoria.

    • Boquilla de orificio en forma

      El orificio conformado utiliza una entrada con forma semisférica y una salida con muesca en V para hacer que el flujo se extienda en el eje de la muesca en V. Se obtiene una pulverización de abanico plano que es útil para muchas aplicaciones de pulverización, como la pintura por pulverización.

    • Boquilla de fluido simple de impacto superficial

      Una boquilla de impacto en la superficie hace que una corriente de líquido incida en una superficie, lo que da como resultado una lámina de líquido que se rompe en gotas. Esta boquilla de patrón de pulverización de abanico plano se utiliza en muchas aplicaciones que van desde la aplicación de herbicidas agrícolas hasta el cultivo en hileras y la pintura.

      La superficie de impacto puede formarse en espiral para producir una lámina en forma de espiral que se aproxima a un patrón de pulverización de cono completo o un patrón de pulverización de cono hueco.

      El diseño en espiral generalmente produce un tamaño de gota más pequeño que el diseño de boquilla de tipo remolino de presión, para una presión y un caudal dados. Este diseño es resistente a la obstrucción debido al gran paso libre.

      Las aplicaciones comunes incluyen aplicaciones de depuración de gases (p. Ej., Desulfuración de gases de combustión donde las gotas más pequeñas a menudo ofrecen un rendimiento superior) y lucha contra incendios (donde la mezcla de densidades de gotas permite la penetración de la pulverización a través de fuertes corrientes térmicas).

    • Boquilla de pulverización de fluido único con remolino de presión

      Las boquillas rociadoras de presión son dispositivos de alto rendimiento (tamaño de gota pequeño) con una configuración mostrada. El núcleo estacionario induce un movimiento rotativo del fluido que provoca el remolino del fluido en la cámara del remolino. Se descarga una película desde el perímetro del orificio de salida que produce un patrón de pulverización de cono hueco característico.

      Se aspira aire u otro gas circundante dentro de la cámara de turbulencia para formar un núcleo de aire dentro del líquido de turbulencia. Se utilizan muchas configuraciones de entradas de fluido para producir este patrón de cono hueco dependiendo de la capacidad de la boquilla y los materiales de construcción. Los usos de esta boquilla incluyen enfriamiento por evaporación y secado por pulverización.

    • Boquilla de fluido único de cono sólido

      Una de las configuraciones de la boquilla de pulverización de cono sólido se muestra en un diagrama esquemático. Sin embargo, se induce un movimiento de remolino líquido con la estructura de la paleta; El flujo de descarga llena todo el orificio de salida. Para la misma capacidad y caída de presión, una boquilla de cono lleno producirá un tamaño de gota mayor que una boquilla de cono hueco. La cobertura es la característica deseada para tal boquilla, que a menudo se usa para aplicaciones para distribuir fluido sobre un área.

    • Boquilla compuesta

      Una boquilla compuesta es un tipo de boquilla en la que se incorporan varias boquillas individuales de fluido individuales o dos en un cuerpo de boquilla, como se muestra a continuación. Esto permite el control del diseño del tamaño de la gota y el ángulo de cobertura de pulverización.

  • Boquillas de dos fluidos

    Las boquillas de dos fluidos se atomizan al causar la interacción de gas y líquido a alta velocidad. El aire comprimido se usa con mayor frecuencia como gas atomizador, pero a veces se usa vapor u otros gases. Los muchos diseños variados de las boquillas de dos fluidos se pueden agrupar en mezcla interna o mezcla externa dependiendo del punto de mezcla de las corrientes de gas y líquido en relación con la cara de la boquilla.

    • Boquillas de dos fluidos de mezcla interna

      Las boquillas de mezcla internas contactan fluidos dentro de la boquilla; una configuración se muestra en la figura anterior. El cizallamiento entre el gas de alta velocidad y el líquido de baja velocidad desintegra la corriente del líquido en gotitas, produciendo una pulverización de alta velocidad. Este tipo de boquilla tiende a usar menos gas atomizador que un atomizador de mezcla externo y es más adecuado para corrientes de mayor viscosidad. Muchas boquillas de mezcla interna compuestas se usan comercialmente; por ejemplo, para la atomización de fuel oil.

    • Boquillas de dos fluidos de mezcla externa

      Las boquillas de mezcla externas contactan los fluidos fuera de la boquilla como se muestra en el diagrama esquemático. Este tipo de boquilla de pulverización puede requerir más aire de atomización y una mayor caída de presión de aire de atomización porque la mezcla y la atomización del líquido tienen lugar fuera de la boquilla. La caída de presión del líquido es menor para este tipo de boquilla, a veces atrayendo líquido a la boquilla debido a la succión causada por las boquillas de atomización de aire (boquilla de sifón). Si el líquido a atomizar contiene sólidos, se puede preferir un atomizador de mezcla externo. Este aerosol puede tener forma para producir diferentes patrones de pulverización. Se forma un patrón plano con puertos de aire adicionales para aplanar o remodelar la descarga de la sección transversal de pulverización circular.

      Control de boquillas de dos fluidos
      Muchas aplicaciones usan boquillas de dos fluidos para lograr un tamaño de gota pequeño controlado en un rango de operación. Cada boquilla tiene una curva de rendimiento, y los caudales de líquido y gas determinan el tamaño de la gota. Un tamaño de caída excesivo puede provocar fallas catastróficas en el equipo o puede tener un efecto adverso en el proceso o producto. Por ejemplo, la torre de acondicionamiento de gas en una planta de cemento a menudo utiliza enfriamiento evaporativo causado por agua atomizada por boquillas de dos fluidos en el gas cargado de polvo. Si las gotas no se evaporan por completo y golpean la pared de un recipiente, se acumulará polvo, lo que podría restringir el flujo en el conducto de salida e interrumpir el funcionamiento de la planta.

  • Atomizadores rotativos

    Los atomizadores rotativos usan un disco giratorio de alta velocidad, una taza o rueda para descargar líquido a alta velocidad al perímetro, formando un spray de cono hueco. La velocidad de rotación controla el tamaño de la gota. El secado por pulverización y la pintura por pulverización son los usos más importantes y comunes de esta tecnología.

  • Atomizadores ultrasónicos

    Este tipo de boquilla de pulverización utiliza vibración de alta frecuencia (20-180 kHz) para producir una distribución estrecha del tamaño de gota y una pulverización de baja velocidad de un líquido. La vibración de un cristal piezoeléctrico provoca ondas capilares en la película líquida de la superficie de la boquilla. Una boquilla ultrasónica puede ser clave para una alta eficiencia de transferencia y estabilidad del proceso, ya que son muy difíciles de obstruir. Son particularmente útiles en recubrimientos de dispositivos médicos por su fiabilidad.

  • Electrostática

    La carga electrostática de aerosoles es muy útil para una alta eficiencia de transferencia. Ejemplos son la pulverización industrial de recubrimientos (pintura) y la aplicación de aceites lubricantes. La carga es a alto voltaje (20–40 kV) pero baja corriente.

  • Factores de rendimiento de la boquilla

    • Propiedades líquidas

      Casi todos los datos de tamaño de gota suministrados por los fabricantes de boquillas se basan en la pulverización de agua en condiciones de laboratorio, 70 ° F (21 ° C). El efecto de las propiedades líquidas debe entenderse y tenerse en cuenta al seleccionar una boquilla para un proceso que es sensible al tamaño de la gota.

    • Temperatura

      Los cambios de temperatura del líquido no afectan directamente el rendimiento de la boquilla, pero pueden afectar la viscosidad, la tensión superficial y la gravedad específica, lo que puede influir en el rendimiento de la boquilla de pulverización.

    • Gravedad específica

      La gravedad específica es la relación de la masa de un volumen dado de líquido a la masa del mismo volumen de agua. En la pulverización, el efecto principal de la gravedad específica Sg de un líquido que no sea agua está en la capacidad de la boquilla de pulverización. Todos los datos de rendimiento suministrados por el proveedor para las boquillas se basan en la pulverización de agua. Para determinar el caudal volumétrico Q, de un líquido que no sea agua, se debe usar la siguiente ecuación:

    • Viscosidad

      La viscosidad dinámica se define como la propiedad de un líquido que resiste el cambio en la forma o disposición de sus elementos durante el flujo. La viscosidad del líquido afecta principalmente la formación del patrón de pulverización y el tamaño de la gota. Los líquidos con alta viscosidad requieren una presión mínima más alta para comenzar la formación del patrón de pulverización y producir ángulos de pulverización más estrechos en comparación con el agua.

    • Tensión superficial

      La tensión superficial de un líquido tiende a asumir el tamaño más pequeño posible, actuando como una membrana bajo tensión. Cualquier porción de la superficie del líquido ejerce una tensión sobre las porciones adyacentes o sobre otros objetos con los que contacta. Esta fuerza está en el plano de la superficie, y su cantidad por unidad de longitud es la tensión superficial. El valor para el agua es de aproximadamente 0.073 N / ma 21 ° C. Los principales efectos de la tensión superficial son la presión mínima de operación, el ángulo de pulverización y el tamaño de la gota. La tensión superficial es más evidente a bajas presiones de operación. Una tensión superficial más alta reduce el ángulo de pulverización, particularmente en boquillas de cono hueco. Las tensiones superficiales bajas pueden permitir que las boquillas funcionen a presiones más bajas.

    • Desgaste de la boquilla
      El desgaste de la boquilla se indica por un aumento en la capacidad de la boquilla y por un cambio en el patrón de rociado, en el cual la distribución (uniformidad del patrón de rociado) se deteriora y aumenta el tamaño de la gota. La elección de un material de construcción resistente al desgaste aumenta la vida útil de la boquilla. Debido a que muchas boquillas de fluido individuales se usan para medir flujos, las boquillas desgastadas resultan en un uso excesivo de líquido.

    • Material de construcción
      El material de construcción se selecciona en función de las propiedades fluidas del líquido que se va a rociar y del entorno que rodea la boquilla. Las boquillas de pulverización se fabrican más comúnmente de metales, como latón , acero inoxidable y aleaciones de níquel , pero también se utilizan plásticos como PTFE y PVC y cerámica ( alúmina y carburo de silicio ). Se deben considerar varios factores, incluido el desgaste erosivo, el ataque químico y los efectos de la alta temperatura.

  • Aplicaciones

    Recubrimiento automotriz: el recubrimiento automotriz exige una gota de 10 a 100 micras depositada uniformemente sobre el sustrato. Las aplicaciones de la tecnología de pulverización son más pronunciadas durante el curso del proceso de recubrimientos base y transparentes, que se abarcan como las últimas etapas en el recubrimiento automotriz. Entre otras, se utilizan ampliamente campanas giratorias montadas en robots y pulverizadores hvlp (alto volumen, baja presión).