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Antonio Cavaliere » 18.Atomizzazione di combustibili liquidi - parte terza

Funzione di distribuzione delle dimensioni

Il processo di disintegrazione di un getto liquido è un processo stocastico che da luogo ad un insieme di gocce che hanno dimensioni che variano in un intervallo che può essere più o meno largo in dipendenza dell’atomizzatore utilizzato.

Le dimensioni delle gocce sono pertanto individuate per mezzo di una funzione densità di probabilità delle dimensioni o dalla sua funzione di distribuzione delle probabilità P(D) che sono legate dalla relazione:

$P(D)=\int_{0}^{D}p(x) \ dx$

Diametri medi

Molto spesso vengono utilizzati dei diametri medi, che corrispondono a momenti statistici della p(D), che consentono di caratterizzare in maniera sintetica la distribuzione delle dimensioni o di altre quantità quali area superficiale, volume o rapporti tra queste quantità.

In generale si definiscono i diametri medi D_i,j come:

$(D_{i,j})^{i-j}=\frac {\int _{0}^{\infty}D^i p(D)dD}{\int _{0}^{\infty}D^j p(D)dD}$

Diametri medi

Esempi di tali diametri medi sono:

D_1,0 che è il valore medio statistico delle dimensioni di tutte le gocce dello spray

D_2,0 è il diametro di una goccia la cui area superficiale se moltiplicata per il numero di gocce dello spray da il valore dell’area superficiale totale dello spray

D_3,0 è il diametro di una goccia il cui volume se moltiplicato per il numero di gocce dello spray da il valore del volume totale dello spray

Il momento D_3,2, denominato diametro medio di Sauter (SMD), è il diametro di una goccia per la quale il rapporto tra volume e area superficiale sia lo stesso di quello relativo all’intero spray. Esso è particolarmente utilizzato per caratterizzare il comportamento dello spray relativamente ai processi di scambio di materia e di calore.

Funzioni di distribuzione delle dimensioni

La funzione di distribuzione delle dimensioni di uno spray è una funzione arbitraria e fortemente dipendente dal tipo di atomizzatore impiegato e dal suo regime di funzionamento.

Nella pratica si tende a ricondurre tali funzioni di distribuzione a delle forme canoniche predefinite.

Varie classi di funzioni di distribuzioni sono utilizzate e quella più adatta a descrivere il particolare spray considerato va di volta in volta individuata.

distribuzione congiunta di dimensioni e velocità

La completa conoscenza dello stato di uno spray implica il poter disporre della funzione di distribuzione congiunta delle dimensioni e delle velocità delle gocce in ogni punto dello spray.

Tale distribuzione è ovviamente di difficile determinazione in ragione della complessità del sistema e delle limitazioni degli strumenti diagnostici disponibili.

Efficienza dell’atomizzazione

Dalle quanto illustrato in precedenza è chiaro che l’atomizzazione è un processo complesso di trasferimento di energia al liquido sia in termini di energia superficiale che cinetica dei frammenti liquidi prodotti.

L’efficienza del trasferimento in energia superficiale è molto bassa.

La rilevante componente di energia cinetica residuale può comunque essere vantaggiosamente utilizzata per favorire la dispersione del liquido nella corrente gassosa.

In termini più generali l’ottimizzazione di un sistema di atomizzazione non può essere basata solo sulla scelta del più opportuno atomizzatore ma deve tenere in conto anche l’accoppiamento con il campo fluidodinamico dell’aria di combustione.

Classificazione degli atomizzatori

Una maniera semplice di classificare i molteplici sistemi di atomizzazione commercialmente disponibili è basata sul meccanismo di trasferimento dell’energia al liquido:

ugelli in cui l’energia cinetica viene trasferita direttamente al liquido per mezzo di un salto di pressione che avviene in corrispondenza della sezione di uscita dell’ugello

ugelli nei quali l’energia cinetica di rottura viene trasferita al liquido per mezzo dell’interazione con un flusso gassoso (aria o vapore)

Ugelli nei quali l’energia cinetica è trasferita direttamente al liquido per mezzo di sistemi meccanici.

Esistono, infine, altre classi di atomizzatori che non rientrano in questa classificazione generale e che sfruttano sistemi acustici, piezoelettrici o ultrasonici per indurre oscillazioni controllate al liquido. In tal modo essi possono garantire un più efficace controllo del processo e delle dimensioni e velocità finali delle gocce.

Atomizzatori a pressione: plain nozzles

I plain nozzles sono gli ugelli più semplici possibili. Essi sono essenzialmente costituiti da un orifizio circolare attraverso cui viene fatto fluire il liquido.

Il buon funzionamento di tali ugelli si ha in corrispondenza di piccole sezioni di uscita e alti salti di pressione.

La velocità di uscita è proporzionale alla radice quadrata del salto di pressione.

Un parametro che viene spesso usato per dare un’idea della natura del flusso nell’orifizio (il grado di turbolenza e l’eventuale presenza di fenomeni di cavitazione) è il rapporto tra la lunghezza dell’orifizio ed il suo diametro (l/d). A tale riguardo è anche importante la geometria della sezione di imbocco.

Atomizzatori a pressione: simplex nozzles

Negli ugelli “simplex” vengono impresse al liquido componenti di velocità radiale e/o tangenziale (swirl), inettandolo per mezzo di condotti opportunamente inclinati e/o facendolo fluire lungo una superficie conica al fine di disperdere maggiormente il liquido (i coni di apertura di tali spray vanno da 30° fino a circa 180°).

Anche in tal caso la velocità di uscita è proporzionale alla radice quadrata del salto di pressione. Ciò limita il campo di impiego di tali ugelli, nel quale la qualità dell’atomizzazione è soddisfacente, ad un intervallo di portate di circa 10:1.

Si distinguono simple nozzle a cono vuoto (hollow) o pieno (solid).

Atomizzatori a pressione: fan spray nozzles

Una categoria molto usata in processi industriali (rivestimenti, verniciatura etc.) di ugelli è costituita dai “fan nozzles”.

In essi attraverso una apposita sagomatura dell’apertura di uscita e dei condotti di adduzione del liquido si generano degli spray sostanzialmente piatti (a forma di lamina liquida).

Atomizzatori assistiti ad aria

Con tali ugelli si possono ottenere spray molto fini anche a partire da liquidi con alta viscosità.

Si distingue tra ugelli assistiti ad aria (“air-assisted“) e a corrente d’aria (“air-blast“).

Nei primi una piccola portata d’aria ad alta velocità (>100 m/s) viene fatta interagire con il flusso liquido o prima dell’ugello di uscita dell’atomizatore (“internal mixing”) o dopo un ugello di uscita del liquido (“external mixing”).

Nei secondi una grande portata di aria a più bassa velocità (<100 m/s) viene fatta interagire con un getto (“plain jet airblast”) o una lamina (“prefilming airblast”) di liquido.

Atomizzatori assistiti ad aria

Gli atomizzatori assistiti ad aria danno buone qualità di atomizzazione in un ampio campo di portate ma oltre ad una maggiore complessità presentano alcuni inconvenienti.

Richiedono una fonte supplementare di aria ad alta pressione che può, in certe applicazioni, non essere disponibile

Nel caso di configurazioni “internal mixing” e “plain jet airblast” è necessario avere cura che non si abbiano ritorni di aria nel condotto di liquido e viceversa.