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In uno spray la dimensione delle gocce decide tutto

Evaporazione, penetrazione e qualità del rivestimento discendono tutte dalla distribuzione dimensionale. Lavorare con un diametro medio cancella quell'informazione.

Il liquido che esce da un ugello resta dapprima una lamella o un getto, poi diventa instabile e si frantuma (atomizzazione primaria); le gocce grossolane così formate vengono ulteriormente frantumate dalle forze aerodinamiche (atomizzazione secondaria).

Il risultato non è un diametro unico ma una distribuzione — e il successo dell'applicazione dipende dalla forma di quella distribuzione.

Perché la distribuzione conta

  • L'evaporazione scala con l'area superficiale; le gocce piccole evaporano in fretta, quelle grossolane raggiungono il bersaglio ancora bagnate [1].
  • La penetrazione scala con la massa; le gocce molto piccole vengono portate via prima di raggiungere il bersaglio.
  • La deriva è un problema delle gocce piccole: crea vincoli ambientali nell'irrorazione agricola e nelle torri di raffreddamento.

Questi tre requisiti sono in conflitto; il progetto cerca un ottimo stretto. Un'analisi svolta con un solo diametro medio non può vedere affatto quel conflitto.

Tipi di ugello

A turbolenza in pressione (simplex). Al liquido si imprime una rotazione per formare un cono fine. Semplice e diffuso; ma la qualità di atomizzazione si degrada in fretta al calare della portata — il campo di regolazione è stretto.

Bifluido / assistito ad aria. Aria ad alta velocità frantuma il liquido. Dà una buona atomizzazione su un ampio campo di carico; il prezzo è il consumo di aria compressa.

Getto piatto e a ventaglio. Per applicazioni di rivestimento, dove la qualità del profilo di spruzzo è critica.

Modellazione

Risolvere direttamente l'atomizzazione primaria è costoso e non necessario per la maggior parte dei problemi industriali. La via pratica è definire all'uscita dell'ugello una distribuzione dimensionale misurata e seguire le gocce come fase discreta. Vedi la nota sul flusso multifase.

Punti da curare:

  • Il coefficiente di resistenza va calcolato in funzione del numero di Reynolds [2].
  • L'interazione goccia-parete va definita: aderire, schizzare, formare un film. L'ipotesi predefinita «aderisce» inganna nei problemi di rivestimento e di raffreddamento.
  • Una goccia che evapora è insieme una sorgente di massa e di calore latente; entrambe modificano la fase gassosa.

Riferimenti

  1. Ranz, W. E. & Marshall, W. R. (1952). Evaporation from drops. Chemical Engineering Progress, 48, 141–146 (Part I) and 173–180 (Part II).
  2. Morsi, S. A. & Alexander, A. J. (1972). An investigation of particle trajectories in two-phase flow systems. Journal of Fluid Mechanics, 55(2), 193–208. DOI: 10.1017/S0022112072001806

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