Boquilla pulverizadora

Una boquilla de pulverización o atomizador es un dispositivo que facilita la dispersión de un líquido mediante la formación de un rocío . La producción de un rocío requiere la fragmentación de estructuras líquidas, como láminas o filamentos líquidos, en gotitas, a menudo utilizando energía cinética para superar el costo de crear una superficie adicional. Existe una amplia variedad de boquillas de pulverización que utilizan uno o varios mecanismos de fragmentación de líquidos, los cuales se pueden dividir en tres categorías: fragmentación de láminas líquidas, chorros y ondas capilares. Las boquillas de pulverización son de gran importancia para muchas aplicaciones , donde se diseñan para que tengan las características de pulverización adecuadas . ^{[ 1 ]}

Las boquillas de pulverización pueden tener una o más salidas; una boquilla de múltiples salidas se conoce como boquilla compuesta. Las boquillas de pulverización con múltiples salidas se encuentran en las bolas de pulverización, que se han utilizado en la industria cervecera durante muchos años para la limpieza de barriles y toneles. ^{[ 2 ]} Las boquillas de pulverización abarcan desde las de uso industrial pesado hasta las de uso ligero en latas o botellas de pulverización . ^{[ 3 ]}

Las boquillas de pulverización hidráulicas o de un solo fluido utilizan la energía cinética del líquido para fragmentarlo en gotitas. Este tipo de boquilla, el más utilizado, es más eficiente energéticamente en la producción de superficie de pulverización que la mayoría de los demás tipos. A medida que aumenta la presión del fluido, aumenta el caudal a través de la boquilla y disminuye el tamaño de las gotas. Se utilizan diversas configuraciones de boquillas de un solo fluido, según las características de pulverización deseadas.

La boquilla más sencilla para un solo fluido es una boquilla de orificio simple, como se muestra en el diagrama. Esta boquilla suele producir poca o ninguna atomización, pero dirige el chorro de líquido. Si la caída de presión es alta, al menos 25 bares (2500 kPa; 360 psi), el material suele atomizarse finamente, como en un inyector diésel. A presiones más bajas, este tipo de boquilla se usa a menudo para la limpieza de tanques, ya sea como boquilla de pulverización compuesta de posición fija o como boquilla rotativa.

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  Boquilla de pulverización de orificio simple

El orificio con forma especial utiliza una entrada semiesférica y una salida con muesca en V para que el flujo se disperse a lo largo del eje de la muesca. El resultado es un chorro plano en forma de abanico , útil para diversas aplicaciones de pulverización, como la pintura en aerosol.

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  Boquilla de pulverización con patrón de abanico plano

Una boquilla de impacto superficial hace que un chorro de líquido incida sobre una superficie, creando una lámina que se fragmenta en pequeñas gotas. Esta boquilla de patrón de pulverización plano se utiliza en numerosas aplicaciones, desde la aplicación de herbicidas agrícolas hasta la pintura.

La superficie de impacto puede formarse en espiral para producir una lámina en forma de espiral que se aproxime a un patrón de pulverización de cono completo o a un patrón de pulverización de cono hueco. ^{[ 4 ]}

El diseño en espiral generalmente produce gotas de menor tamaño que las boquillas de tipo remolino a presión, para una presión y caudal determinados. Este diseño es resistente a la obstrucción gracias a su amplio paso libre.

Entre las aplicaciones más comunes se incluyen las depuraciones de gases (por ejemplo, la desulfuración de gases de combustión, donde las gotas más pequeñas suelen ofrecer un rendimiento superior) y la extinción de incendios (donde la mezcla de densidades de gotas permite la penetración del rocío a través de fuertes corrientes térmicas).

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  Boquilla de pulverización por impacto superficial
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  Boquilla de pulverización en espiral

Las boquillas de pulverización de remolino a presión son dispositivos de alto rendimiento (con gotas de pequeño tamaño), y en la configuración que se muestra se incluye una. El núcleo fijo induce un movimiento rotatorio del fluido, lo que provoca su remolino en la cámara de remolino. Se descarga una película desde el perímetro del orificio de salida, produciendo un patrón de pulverización característico en forma de cono hueco. El aire u otro gas circundante es aspirado hacia el interior de la cámara de remolino, formando un núcleo de aire dentro del líquido en remolino. Se utilizan diversas configuraciones de entrada de fluido para producir este patrón de cono hueco, dependiendo de la capacidad de la boquilla y los materiales de construcción. Entre las aplicaciones de esta boquilla se incluyen la refrigeración evaporativa y el secado por pulverización.

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  Boquilla de pulverización en espiral a presión
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  Boquilla de rebose

En el diagrama esquemático se muestra una de las configuraciones de la boquilla de pulverización de cono sólido. La estructura de las paletas induce un movimiento de remolino en el líquido; sin embargo, el flujo de descarga llena completamente el orificio de salida. Para la misma capacidad y caída de presión, una boquilla de cono completo produce gotas de mayor tamaño que una boquilla de cono hueco. La cobertura es la característica deseada para este tipo de boquilla, que se utiliza frecuentemente en aplicaciones para distribuir fluidos sobre un área.

Una boquilla compuesta es un tipo de boquilla que incorpora varias boquillas individuales, de uno o dos fluidos, en un solo cuerpo, como se muestra a continuación. Esto permite controlar el tamaño de las gotas y el ángulo de cobertura de la pulverización.

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  Boquilla de pulverización de remolino de presión compuesta con patrón ancho

Las boquillas bifásicas atomizan mediante la interacción de gas y líquido a alta velocidad. Generalmente se utiliza aire comprimido como gas atomizador, aunque a veces se emplean vapor u otros gases. Los diversos diseños de boquillas bifásicas se pueden clasificar en de mezcla interna o externa, según el punto de mezcla de los flujos de gas y líquido con respecto a la superficie de la boquilla.

Las boquillas de mezcla interna entran en contacto con el fluido dentro de la boquilla; una configuración se muestra en la figura siguiente. El cizallamiento entre el gas a alta velocidad y el líquido a baja velocidad desintegra el chorro de líquido en gotitas, produciendo un rocío a alta velocidad. Este tipo de boquilla tiende a utilizar menos gas atomizador que un atomizador de mezcla externa y es más adecuada para chorros de mayor viscosidad. Muchas boquillas compuestas de mezcla interna se utilizan comercialmente; por ejemplo, para la atomización de fueloil.

Las boquillas de mezcla externa contactan con 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 del aire de atomización, ya que la mezcla y atomización del líquido se produce fuera de la boquilla. La caída de presión del líquido es menor para este tipo de boquilla, a veces aspirando líquido hacia el interior de la boquilla debido a la succión causada por las boquillas de aire de atomización (boquilla de sifón). Si el líquido a atomizar contiene sólidos, puede ser preferible un atomizador de mezcla externa. Este chorro puede moldearse para producir diferentes patrones de pulverización. Un patrón plano se forma con orificios de aire adicionales para aplanar o remodelar la descarga de la sección transversal circular del chorro.

Muchas aplicaciones utilizan boquillas de dos fluidos para lograr un tamaño de gota pequeño y 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. ^{[ 5 ]} Un tamaño de gota excesivo puede provocar fallas catastróficas en el equipo o 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 del recipiente, se acumulará polvo, lo que podría restringir el flujo en el conducto de salida e interrumpir el funcionamiento de la planta.

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  Boquilla de pulverización de mezcla interna de dos fluidos
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  Boquilla de pulverización de mezcla externa de dos fluidos
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  Boquilla de dos fluidos

Los atomizadores rotativos utilizan un disco, copa o rueda giratoria de alta velocidad para descargar el líquido a gran velocidad hacia el perímetro, formando un chorro cónico hueco. La velocidad de rotación controla el tamaño de las gotas. El secado y la pintura por pulverización son los usos más importantes y comunes de esta tecnología. También pueden ser automáticos.

Este tipo de boquilla de pulverización utiliza vibración de alta frecuencia (20–180 kHz) para producir una distribución estrecha del tamaño de las gotas y una pulverización de baja velocidad a partir de un líquido. La vibración de un cristal piezoeléctrico genera 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. ^{[ 6 ]}

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

Fuente: ^{[ 7 ]}

Casi todos los datos sobre el tamaño de gota proporcionados por los fabricantes de boquillas se basan en la pulverización de agua en condiciones de laboratorio, a 21 °C (70 °F). Es fundamental comprender y tener en cuenta el efecto de las propiedades del líquido al seleccionar una boquilla para un proceso donde el tamaño de gota es un factor crítico.

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

La gravedad específica es la relación entre la masa de un volumen determinado de líquido y la masa del mismo volumen de agua. En la pulverización, el principal efecto de la gravedad específica Sg de un líquido distinto del agua radica en la capacidad de la boquilla. Todos los datos de rendimiento de las boquillas proporcionados por el fabricante se basan en la pulverización de agua. Para determinar el caudal volumétrico Q de un líquido distinto del agua, se debe utilizar la siguiente ecuación.

${\displaystyle {Q_{f}}={Q_{agua}}{\sqrt {\frac {1}{Sg}}}}$

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

La tensión superficial de un líquido tiende a adoptar el tamaño mínimo posible, actuando como una membrana bajo tensión. Cualquier porción de la superficie del líquido ejerce tensión sobre las porciones adyacentes o sobre otros objetos con los que entra en contacto. Esta fuerza se encuentra en el plano de la superficie, y su magnitud por unidad de longitud se denomina tensión superficial. El valor para el agua es de aproximadamente 0,073 N/m (0,0050 lb _f /ft) a 21 °C (70 °F). Los principales efectos de la tensión superficial se manifiestan en la presión mínima de operación, el ángulo de pulverización y el tamaño de las gotas. La tensión superficial es más evidente a bajas presiones de operación. Una mayor tensión superficial reduce el ángulo de pulverización, especialmente en boquillas de cono hueco. Las bajas tensiones superficiales permiten que las boquillas operen a presiones más bajas.

El desgaste de la boquilla se manifiesta por un aumento en su capacidad y por un cambio en el patrón de pulverización, donde la distribución (uniformidad) se deteriora y el tamaño de las gotas aumenta. La elección de un material de construcción resistente al desgaste prolonga la vida útil de la boquilla. Dado que se utilizan muchas boquillas monofásicas para dosificar caudales, las boquillas desgastadas provocan un consumo excesivo de líquido.

El material de construcción se selecciona en función de las propiedades del líquido que se va a pulverizar y del entorno que rodea la boquilla. Las boquillas de pulverización suelen fabricarse con 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 ). Deben tenerse en cuenta varios factores, como el desgaste por erosión, el ataque químico y los efectos de las altas temperaturas.

Recubrimiento automotriz: El recubrimiento automotriz requiere gotas de 10–100  μm (0,39–3,94 mils ) de tamaño depositadas uniformemente sobre el sustrato. Las aplicaciones de la tecnología de pulverización son más pronunciadas durante el proceso de recubrimientos base y transparentes, que se incluyen como las últimas etapas en el recubrimiento automotriz. Entre otros, las campanas rotativas montadas en robots y los pulverizadores HVLP (alto volumen, baja presión) se utilizan ampliamente para pintar la carrocería del automóvil durante la fabricación. ^{[ 8 ]} La pulverización agrícola puede involucrar boquillas hidráulicas, de doble fluido y rotativas: se analiza más adelante en la aplicación de pesticidas .

• Aerosol
• Pistola de aleteo
• Deshumidificador
• Humidificador
• Boquilla
• Nebulizador
• Aplicación de pesticidas
• Instituto de Atomización de Líquidos y Sistemas de Pulverización (ILASS)
• Botella pulverizadora

• Experimento del mes | Universidad de Millersville