ΙΑΣΚΟΡΠΙΣΤΕΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΜΕΓΕΘΗ ΥΝΑΜΙΚΗ ΤΩΝ ΣΠΡΕΙ Μ. Φούντη Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών, 2004
Αρχή ιασκορπισµού ιασκορπισµός είναι η σταγονοποίηση των υγρών καυσίµων µε ελεγχόµενο τρόπο και σε καθορισµένο µέγεθος σταγόνων, µέσω ειδικών συσκευών, των διασκορπιστών. Ο διασκορπισµός θεωρείται πιο αποδοτική µέθοδος της απ ευθείας εξάτµισης όλης της µάζας του καυσίµου για την καύση υγρών καυσίµων.
Αρχή ιασκορπισµού Με την παραγωγή των σταγονιδίων αυξάνεται η ελεύθερη επιφάνεια του καυσίµου, που έρχεται έτσι σε καλύτερη επαφή µε το αέριο του θαλάµου καύσης. Έτσι, αυξάνει ο ρυθµός µεταφοράς θερµότητας και µάζας και προετοιµάζεται ικανοποιητικά η εκνέφωση του καυσίµου. Ο διασκορπισµός επιτυγχάνεται µε την βοήθεια εκνεφωτών (ή διασκορπιστών) µε κοινό χαρακτηριστικό την µετατροπή του υγρού κατ αρχάς σε λεπτό στρώµα (flm) και ακολούθως σε σταγόνες. Η βασική αρχή διαµελισµού υγρού βασίζεται στην αύξηση της επιφάνειας του δηµιουργούµενου λεπτού στρώµατος µέχρι αυτή να γίνει ευσταθής και να διαµελιστεί. Τα δηµιουργούµενα σταγονίδια εισέρχονται σε περιοχή υψηλών θερµοκρασιών όπου εξατµίζονται πολύ γρήγορα.
Περιοχές υγρού σπρέι Τρεις χαρακτηριστικές περιοχές: αραιού σπρέι (thn spray regon), πυκνού σπρέι (thck spray regon) και περιοχή διαταρασσόµενου ρευστού (churnng flow).
Σχηµατισµός σταγόνων Ο µηχανισµός του διασκορπισµού περιλαµβάνει αρχικά τον σχηµατισµό ασταθών ινών υγρού και κατόπιν την θραύση τους σε σταγόνες. Η διαδικασία που ακολουθείται κατά την θραύση των ινών σε σταγόνες ερµηνεύεται από την θεωρία του Raylegh. Σύµφωνα µε την οποία µιά στήλη ρευστού είναι ασταθής αν το µήκος της είναι µεγαλύτερο από την περιφέρειά της. Αν σε στήλη µη συνεκτικού ρευστού αναπτυχθεί διαταραχή, αυτή θα διαδοθεί ταχύτατα, µε µήκος κύµατος 4-5/πλάσιο της διαµέτρου της στήλης. Ο µηχανισµός του διασκορπισµού έχει αναπτυχθεί λεπτοµερώς από τους Dombrowsk και Munday (1968) και έχουν αναφερθεί τρεις µέθοδοι: η κυµατοειδής, η περιφερειακή και αυτή του διάτρητου φίλµ.
ιαδικασία δηµιουργίας σταγόνας από φίλµ υγρού Ειδικά για τον µηχανισµό «διάσπασης» δέσµης ρευστού, µε ποιοτικούς όρους αυτός θα µπορούσε να χαρακτηριστεί από µια οµάδα έξι βηµάτων: ιασκορπισµός του υγρού σε στρώµατα ή ρεύµατα Εµφάνιση ελαφρών κυµατισµών και προεκβολών Σχηµατισµός συνεκτικών δεσµών ή οπών στα στρώµατα Κατάρρευση των συνεκτικών δεσµών ή των οπών στα στρώµατα Περαιτέρω διαµελισµός λόγω δόνησης των σταγονιδίων Συσσωµάτωση ή αποβολή από τις µεγάλες σταγόνες
Χαρακτηριστικά των σπρέι Τα κυριότερα χαρακτηριστικά των σπρέι είναι: η διαµόρφωσή τους στον χώρο, δηλαδή το µήκος, το πλάτος και η στερεά γωνία του κώνου, η κατανοµή του καυσίµου στις διατοµές του κώνου, το µέγεθος της σταγόνας, η κατανοµή του µεγέθους των σταγόνων.
Χαρακτηριστικά και τύποι διασκορπιστών Ένας ιδανικός διασκορπιστής πρέπει να έχει τα παρακάτω χαρακτηριστικά: Ικανότητα να παρέχει καλό διασκορπισµό για µεγάλο εύρος παροχών ροής του υγρού καυσίµου. Ταχεία προσαρµογή στις αλλαγές του ρυθµού ροής της υγρής φάσης (υγρού). Ανεξαρτησία από τις αστάθειες της ροής. Μικρές απαιτήσεις σε ισχύ. υνατότητα για κλιµάκωση (προσαρµογή), για να παρέχει ευκινησία σχεδίασης. Χαµηλό κόστος, µικρό βάρος, ευκολία στη συντήρηση και ευκολία στην αποµάκρυνση (απόσπαση) για επισκευή. Μικρή ευαισθησία σε βλάβη κατά την κατασκευή και εγκατάσταση.
Τύποι διασκορπιστών Πίεσης Πρόσκρουσης έσµης ιπλού Ρευστού
ιάφοροι τύποι διασκορπιστών πίεσης Ρευστό Απλού ακροφυσίου (plan orfce) Ρευστό Πίεσης συστροφής (pressure-swrl) ευτερογενής πρωτογενής ιπλού ακροφυσίου (dual orfce) Ρευστό Υπερχείλιση Επιστροφής υγρού (spll return)
ιάφοροι τύποι διασκορπιστών
Κατανοµή µεγέθους σταγόνας Oι περισσότεροι διασκορπιστές παράγουν σταγονίδια µε εύρος µεγέθους από µερικά µικρά έως αρκετές εκατοντάδες µικρά. Γραφική παράσταση ιστογράµµατος στο οποίο κάθε ''µπάρα" παριστάνει τον αριθµό των σταγόνων των οποίων οι διαστάσεις είναι µεταξύ των ορίων D - D/2 και D + D/2
Μέσες διάµετροι και οι εφαρµογές τους Σύµβολο Όνοµα της µέσης διαµέτρου Μαθηµατική έκφραση Εφαρµογή D 10 Μήκος ΣΝ ΣΝ D Συγκρίσεις D 20 Εµβαδόν επιφάνειας ΣΝ D ΣΝ 2 1 / 2 Έλεγχος εµβαδού επιφανείας D 30 Όγκος ΣΝ D ΣΝ 3 1 / 3 Έλεγχος όγκου, π.χ υδρολογία D 21 Εµβαδόν επιφάνειας - Όγκος ΣΝ ΣΝ D D 2 Απορρόφηση D 31 Όγκος µήκος ΣΝ D ΣΝ D 3 1 / 2 Εξάτµιση, µοριακή διάχυση ΣΝ D D 32 Sauter (SMD) 2 ΣΝ D 3 Αντίδραση µεταφοράς µάζας D 43 De Brouckere ή Herdan ΣΝ ΣΝ D D 4 3 Ισορροπία καύσης
Αντιπροσωπευτικές διάµετροι D 0,1 = διάµετρος σταγόνας τέτοια ώστε το 10 % του συνολικού υγρού όγκου να είναι σε σταγόνες µικρότερης διαµέτρου. D 0,5 = διάµετρος σταγόνας τέτοια ώστε το 50 % του συνολικού υγρού όγκου να είναι σε σταγόνες µικρότερης διαµέτρου. Αυτή είναι η µεσαία τιµή µάζας (mass medan dameter MMD). D 0,632 = διάµετρος σταγόνας τέτοια ώστε το 63,2 % του συνολικού υγρού όγκου να είναι σε σταγόνες µικρότερης διαµέτρου. D 0,999 = διάµετρος σταγόνας τέτοια ώστε το 90 % του συνολικού υγρού όγκου να είναι σε σταγόνες µικρότερης διαµέτρου.
Μαθηµατικές συναρτήσεις κατανοµής Καµία ολοκληρωµένη θεωρία δεν έχει αναπτυχθεί µέχρι σήµερα που να περιγράφει τις υδροδυναµικές και αεροδυναµικές διεργασίες που λαµβάνουν χώρα όταν συµβαίνει διάλυση δέσµης κάτω από κανονικές συνθήκες διασκορπισµού. Η πιο ευρέως χρησιµοποιούµενη έκφραση για την κατανοµή του µεγέθους σταγόνας είναι αυτή που αρχικά αναπτύχθηκε απ' τους Rosn και Rammler D 1 Q = exp - X Q: κλάσµα του συνολικού όγκου που περιέχεται στις σταγόνες διαµέτρου µικρότερης του D. Χ: D 0,632. Ο εκθέτης q παρέχει ένα µέτρο για την εξάπλωση του µεγέθους των σταγόνων. Όσο πιο υψηλή η τιµή τουq, τόσο πιο οµοιόµορφος είναι ο ψεκασµός. q
Παράγοντες που επηρεάζουν το µέγεθος σταγόνας Είναι ο ρυθµός ροής, η γωνία ψεκασµού, το ιξώδες και η πίεση του υγρού. Ειδικότερα: Υψηλοί ρυθµοί ροής συνήθως παράγουν µεγαλύτερες σταγόνες, υποθέτοντας ότι οι υπόλοιποι παράγοντες παραµένουν οι ίδιοι. Μεγαλύτερες γωνίες ψεκασµού παράγουν µικρότερα σταγονίδια. Υψηλό ιξώδες του υγρού παράγει µεγαλύτερα σταγονίδια στον ψεκασµό, στην ίδια πίεση. Υψηλή πίεση του υγρού µειώνει το µέγεθος της σταγόνας.
Αδιάστατοι αριθµοί Για απλά ακροφύσια η συµπεριφορά της δέσµης µπορεί να χαρακτηριστεί από τρεις αδιάστατους αριθµούς: Αριθµός Reynolds για τη δέσµη: Αριθµός Weber για τη δέσµη: V Re j We = j = ρv µ ρ g V σ l 2 j d j d j Αριθµός Ohnesorge: l Οh = = ρ µ l σd j [(ρ l / ρ g )We Re j j ] 1/ 2 d j είναι η διάµετρος της µηκατανεµηµένης δέσµης σ είναι η επιφανειακή τάση του υγρού (σε επαφή µε το περιβάλλον αέριο) ρ είναι η πυκνότητα µε δείκτες g και l, (αέριο και υγρό αντίστοιχα) V είναι η ταχύτητα µε δείκτες l ή j, όταν πρόκειται για υγρό ή για τη δέσµη (jet).