Fatores de formação e influência da atomização ultrassônica

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A atomização de líquidos é um processo no qual um filme líquido, perturbado por perturbações suficientes da superfície na direção normal, se separa da superfície e se divide em pequenas gotículas, como névoa na fase gasosa. A atomização de líquidos desempenha um papel importante na secagem, revestimento, resfriamento por pulverização, incineração e combustão de combustível líquido e resíduos, preparação de pó fino, preparação de emulsão e outros processos industriais. Nessas aplicações, é necessário que a maioria das gotículas tenha a distribuição de tamanho necessária.

Classificação de Atomização

Diferentes tipos de processos de atomização são adotados, e os efeitos da transferência de energia na atomização da superfície do filme líquido podem ser classificados. Os processos de atomização mecânica ou tradicional, como atomização de dois fluidos, atomização por pressão e atomização por disco, usam energia mecânica para pressurizar ou aumentar a energia cinética do líquido, para que ele possa se decompor na forma de gotículas. Esses processos requerem mais energia e não podem controlar o tamanho final das gotículas e da velocidade da injeção.

Diferente da atomização tradicional, a atomização ultrassônica pode ser mais eficiente. Ele só precisa que a energia elétrica seja transmitida ao transdutor piezoelétrico para acionar o bico para ressoar. Gotas não têm partes móveis, apenas vibração mecânica gerada pela energia elétrica fornecida é usada para produzir gotículas. Como não é necessária energia adicional, a distribuição de tamanho das gotículas pode ser melhor controlada pela atomização ultrassônica.

O diâmetro médio das gotículas produzidas pelos picos capilares a 10-800 kHz das frequências de vibração forçada de diferentes fluidos de trabalho (incluindo água, óleo e cera derretida) é estabelecido e a relação entre o diâmetro médio das gotículas de spray é estabelecida.dp = 0,34 * 8π / ρf2

Solução	Temperatura 25°C
	SuperfícieTension(N / m)	Density(kg / m³)	Viscosidade(N s / m²)
agua	0.0728	997	0.00089
20% Glcerol	0.071	1045.25	0.0015
40% Glcerol	0.07	1097.1	0.0035
60% Glcerol	0.069	1151	0.0088
20% Metanol	0.047	965	0.0013
40% Metanol	0.036	932	0.0015
60% Metanol	0.029	912	0.0014
0,1% CMC	0.063	1001	0.017
0,5% CMC	0.061	1005	0.062

Onda capilar e efeito de cavitação

A geração de atomização ultrassônica é baseada no efeito de onda capilar e efeito de cavitação. Quando uma baixa potência é aplicada a um atomizador ultrassônico de 20KHz, é observada uma estrutura de grade regular na superfície do atomizador, que possui o mesmo número de picos e vales por unidade de área, denominada onda capilar. Essa entrada de baixa potência produz interferência na superfície sem injeção real de gotículas.

A cavitação é um fenômeno de nível micro, que não pode ser observado diretamente na superfície da cabeça de atomização a olho nu.Existem dois tipos diferentes de gotículas, i. e gotículas e faixas quase esféricas, que possuem maior velocidade, e gotículas quase esféricas, que possuem menor velocidade. Cavitação pode ser determinada.

A formação de cavidades próximas à superfície do atomizador e no filme líquido e o subsequente colapso dessas cavidades resultam na liberação local de uma grande quantidade de energia; portanto, comparado com a baixa velocidade de pulverização observada no caso da propagação de ondas capilares, o efeito de cavitação aumenta bastante a velocidade de pulverização das gotículas.Ao mesmo tempo, a área de superfície ocupada pelo líquido na ponta do atomizador diminui com o aumento da frequência do atomizador, o que dificulta a captura de ondas capilares na superfície.

Efeito da frequência dinâmica no tamanho da gota

液滴 尺寸 随着 照射 的 的 随着 的 增加 波长 的 减少 导致 阻尼 节点 和 波 腹 的 压缩 雾化 雾化 液体 在 循环 中 的 的 液体 液体 于 的 的 液体 液体 波相应 的 液滴 尺寸 减小。 随着 的 增加 ， 可 用于 形成 的 雾化 表面积 减小。 覆盖 整个 表面 所需 的 阈 值 液体 流速 随着 的 的 增加 而 的。

O tamanho da gota diminui com o aumento da frequência de irradiação. Com o aumento da frequência, a diminuição do comprimento de onda leva à compressão de nós de amortecimento e de onda. O líquido atomizado é exposto a fases mais comprimidas na circulação, o que resulta na diminuição da taxa de pico de crescimento e no tamanho da gota correspondente. Com o aumento da frequência, a área da superfície de atomização que pode ser usada para formar gotículas diminui. A velocidade limite do líquido necessária para cobrir toda a superfície aumenta com o aumento da frequência.

O limite de fluxo superior do atomizador de alta frequência antes da queda é menor que o do atomizador de baixa frequência. O comprimento de onda da onda capilar diminui com o aumento da frequência do atomizador. O resultado final é que o tamanho das gotículas diminui e a taxa de ejeção das gotículas (o número de gotículas por unidade de tempo) aumenta da superfície.

Efeito da vazão no tamanho da gota

O tamanho da gota (dp) aumenta com o aumento da vazão (Q), que pode ser atribuída ao aumento da espessura do filme líquido formado na superfície vibratória antes da atomização real. Quando a vazão do líquido é um pouco maior que a vazão crítica necessária para molhar completamente a superfície da ponta do bico, o líquido se difunde como uma fina película líquida e possui várias ondas capilares compostas de picos e vales.

Quando a velocidade do líquido é obviamente maior e a condição de vibração ultrassônica permanece inalterada, uma camada líquida mais espessa é formada na superfície do atomizador, o que leva à deformação de ondas capilares uniformes. Essa onda capilar irregular leva à formação de gotículas com maior tamanho de gotícula e maior distribuição de tamanho. Além disso, com o aumento da espessura da camada na superfície do atomizador, são observadas bolhas ou bolhas de cavitação oscilantes muito próximas à superfície do atomizador, que crescem rapidamente e colapsam para pulverizar as gotas do pico prematuramente, resultando em cavitação efeito. Qualquer aumento adicional na vazão resultará na queda de gotas e a distribuição do tamanho das gotas se tornará mais ampla.

Vazão crítica: a vazão necessária para umedecimento completo da superfície da ponta do bico. Fórmula de cálculo:Qcrit =σ / fρ

Efeito do poder no tamanho da gota

O tamanho da gota aumenta com o aumento da potência ultrassônica. Observou-se um grande tamanho de gotícula com maior vazão e maior consumo de energia líquida. Com o aumento da potência ultrassônica, a amplitude da vibração na ponta do atomizador aumenta, resultando na alteração da forma do fluxo atomizador de radial para cônico. Quando o líquido se difunde para toda a superfície do atomizador com ultra-som de baixa potência, o líquido pode utilizar toda a energia transferida para a ponta, resultando na redução do tamanho da gota. Com o aumento da potência, a intensidade da operação aumenta, porque a área de cobertura líquida da ponta do bico diminui.

A velocidade das gotículas aumenta com o aumento da potência ultrassônica, que também pode ser atribuída ao aumento da amplitude de vibração na ponta do atomizador e ao aumento do efeito da cavitação na liberação da energia acústica. Quando o movimento de pulverização é vertical, a gravidade também afeta a energia cinética de gotículas maiores que 150 um. Para aplicações como revestimentos de superfície, não é desejável operar sob condições de alta potência, pois as gotículas retornam após atingir a superfície e podem formar formas irregulares na superfície, resultando em revestimento desigual.

Explique a dependência direta da amplitude da ponta da vibração na dissipação de energia:Potência = ρCSU2 / 2 I = ρCSU2 / 2

A velocidade acústica é definida como（U） (Am × ω0) = (Am × 2πf)

I = ρC (Am * 2πf) 2/2

Efeito da viscosidade do líquido no tamanho das gotículas

O tamanho da gota diminui ligeiramente com o aumento da viscosidade do líquido. À medida que a viscosidade do líquido aumenta, o atomizador precisa de mais energia para decompor a camada líquida em gotículas. Inicialmente, sem desintegração imediata, a camada líquida permaneceu na superfície do atomizador por um período de tempo antes de se dividir em gotículas. Portanto, não há atomização no estágio inicial, e o líquido oscila na superfície do atomizador porque a amplitude dissipa a energia viscosa e aumenta a temperatura, o que não é observado no líquido viscoso inferior. Após um período de tempo, devido à dissipação de energia mecânica causada por eventos de cavitação, a temperatura da camada líquida na superfície aumenta e, em seguida, a atomização do líquido é observada. Comparado com líquidos de baixa viscosidade (na mesma vazão), líquidos de alta viscosidade requerem mais energia para atomização.

Efeito da tensão líquida no tamanho da gota

Com a diminuição da tensão do líquido, as partículas atomizadas também diminuem. A diminuição da tensão superficial resulta na diminuição do comprimento de onda capilar da superfície. O número de ondas capilares por unidade de região de vibração aumenta e a amplitude das ondas capilares é maior. As gotículas são imediatamente ejetadas do pico. Portanto, na mesma velocidade do líquido, o número de gotas pulverizadas aumenta com a diminuição do tamanho das gotas.

A potência ultrassônica e a energia superficial do filme líquido são conservadas com a energia cinética e a energia superficial da gota. Portanto, o aumento da energia cinética da gota está relacionado à diminuição do tamanho da gota. Além disso, como o filme líquido ocupa uma camada muito fina na superfície vibratória e quase adere à superfície do atomizador, é provável que a diminuição da tensão superficial aumente o crescimento de bolhas de cavitação de vapor.Isso resulta na quebra da bolha no filme líquido fino na superfície do atomizador, resultando em gotículas menores, mas pulverizando a uma velocidade maior.

De acordo com a variação do tamanho da gota com os parâmetros de operação (incluindo parâmetros do equipamento, propriedades físicas e químicas e taxa de fluxo das gotas), foi estabelecida a fórmula de correlação para prever o tamanho da gota.Como uma aproximação inicial, o método mais simples é baseado na correlação de ajuste, assumindo que a lei de potência muda de variáveis ​​independentes. Foi estabelecida uma fórmula de correlação para prever o tamanho das gotículas.Como aproximação inicial, o método mais simples é baseado na correlação de ajuste, assumindo que a lei da potência muda de variáveis ​​independentes（Q ， μ σ ， ρ f ， I）e a melhor correlação de ajuste obtida é a seguinte:

(Intervalo variávelQ= 0,5 a 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,Eu= 15907–913752,9 W / m2)。

Variáveis ​​comuns de atomização

Sou	Amplitude da pontam)	t	Espessura de filme líquidom)
C	Velocidade do som no líquido médio (Senhora)	você	Velocidade da onda sonora(Senhora)
dp	Diâmetro da gotam)	μ	Viscosidade líquida(N s / m²)
f	Frequência de excitação(1 / s)	λ	Wcomprimentom)
Eu	Intensidade do ultrassom(W / m²)	ρ	Densidade líquida(kg / m³)
Q	Taxa de fluxo de volume(m³/ s)	σ	Tensão superficial(N / m)
Qcrit	Fluxo crítico de volume(m³/ s)	S	Área de superfície do atomizador(m²)