Пневматические форсунки: принцип работы, достоинства, недостатки, классификация и способы подбора

Форсунки вода-воздух, которые еще называют пневматическими форсунками или двухфазными, создают мелкодисперсный туман путем смешивания жидкости и сжатого воздуха. В качестве жидкости чаще всего выступает вода, но могут применяться и более вязкие вещества. 

В международных источниках данный тип форсунок называют: Air Atomized Spray Nozzles, Atomized Liquid Nozzles или просто Atomiser Nozzles. В отечественных каталогах и на сайтах их можно встретить под названиями: пневматические форсунки, форсунки вода воздух, водовоздушные форсунки или форсунки двухфазного распыления, хотя последнее определение может использоваться и для форсунок распыляющих две жидкости. Далее мы рассматриваем именно водовоздушные форсунки - где для распыления жидкости применяется сжатый воздух.

Особенности работы водовоздушных форсунок и варианты их применения 

Принцип действия водовоздушных форсунок довольно прост: воздух или другие газы под давлением смешиваются с жидкостью, создавая тонкое распыление. Воздух фактически разбивает жидкость до аэрозольного состояния или тумана. При этом саму жидкость не нужно дополнительно разгонять – всю работу выполняет сжатый воздух, а мелкую каплю можно получить даже если жидкость подаётся самотёком (без насоса). 

Размер создаваемых капель варьируется от 300 - 400 микрон до 10 - 15 микрон в зависимости от размера отверстия, расхода жидкости, объема и давления сжатого  воздуха.

Для сравнения: обычное жидкостное сопло способно создавать капли жидкости с размером в диапазоне 300-4000 микрон. Размеры капель водовоздушной форсунки могут достигать значений в 10-15 микрон.  

Именно столь малые размеры капель, образуемые водовоздушными форсунками, является ключом к экономической эффективности для большого числа отраслей где они используются. 

Помимо размера капли, распыление жидкости сжатым воздухом дает возможность разбивать более вязкие жидкости и получать при этом лучшее покрытие или более тонкие слои напыления. Распыление воздухом также дает возможность использовать меньшее количество жидкости, поскольку воздух занимает часть общего потока, выходящего из сопла.

Вот несколько примеров. 

• Нанесение дорогих покрытий. Чем меньше размер капель, тем лучше и равномернее покрытие, и тем меньше вещества вам придется распылять;
• В случае увлажнения размер капель тоже имеет большое значение: чем они меньше, тем больше суммарная площадь поверхности капель и тем эффективнее увлажнение тем дольше они остаются в воздухе и тем больше область увлажнения;
• Смазочные материалы на нефтяной основе по своей природе требуют тонкого слоя для достижения наилучших результатов. Меньшие капли –  более ровный и тонкий слой.
• При решении задач пылеподавления, размер капель распыляемой жидкости должен быть соизмерим с размером улавливаемых частиц пыли. Чем мельче капля, тем более тонкая очистка воздуха будет осуществляться. Борьба с пылью намного эффективнее с каплями меньшего размера. Чем дольше туман задерживается в воздухе, тем больше частиц пыли прилипают к отдельным каплям.

Области применения водовоздушных форсунок

Благодаря своим экономическим характеристикам и технологии распыления, водовоздушные форсунки нашли свое применение в различных областях и приложениях:

• Смазка
• Покрытие
• Смешивание
• Увлажнение или смачивание
• Пылеулавливание
• Дезинфекция распылением
• Контроль запаха
• Мокрая очистка газов (скрубберы)
• Охлаждение газов и др.

Достоинства и недостатки водовоздушных форсунок

Двухфазные форсунки с воздушным распылением (водовоздушные форсунки) имеют много преимуществ, которые делают их одним из самых популярных способов распыления жидкостей. К ним относятся:

1. Низкая стоимость. Они дешевы в эксплуатации, и не только потому, что в качестве пропеллента они используют только сжатый воздух. Еще одна причина – простота конструкции и обслуживания.
2. Механическая простота. Этот тип системы распыления имеет меньше движущихся частей, которые, в свою очередь, требуют меньше обслуживания, чем более сложные конструкции, такие как роторно-поршневые насосы.
3. Небольшой вес. По сравнению с другими типами распылительного оборудования, пневматические форсунки могут быть легкими и компактными, что упрощает обращение с ними. Их портативность делает подходящими под различные области применения и добавляет универсальности.
4. Способность распылять жидкости, с вязкостью близкой к мёду и чёрной патоки.
5. Возможность распылять жидкость без насоса за счёт эффекта эжекции (сифонного типа) или при подаче жидкости самотёком.
6. Модульная конструкция - лёгкая смена распылительной насадки без демонтажа тела форсунки.
7. Широкий ассортимент различных тел форсунок, включая тела с регулировочной иглой, с иглой для автоматической прочистки и т.д.

Есть ли у подобных систем распыления недостатки? Да, конечно. К ним можно отнести следующее:

1. Необходимость иметь источник сжатого воздуха.
2. Насыщение окружающего воздуха парами распыляемой жидкости.
3. Возможность уноса факела распыления сильным воздушным потоком.

О других особенностях, достоинствах и недостатках пневматических форсунок мы поговорим, рассматривая различные из конструкции.

Виды водовоздушных форсунок

Водовоздушные (или двухфазные) форсунки можно классифицировать:

1. По конструкции (Классические/базовые, автоматические и ультразвуковые);
2. По конфигурации смешивания жидкости и воздуха (внутреннее или внешнее смешение);
3. По принципу подачи жидкости (под давлением или самотеком/всасыванием);.
4. Модели распыления (плоскоструйная, полноконусная и т.п.).

Т. е. любая пневматическая форсунка будет характеризоваться набором различных свойств из этого ряда классификаций. Пример: автоматическая двухфазная форсунка с внутренним смешением, полного конуса, подача жидкости под давлением.

Несмотря на такую громоздкую конструкцию описания форсунки, на самом деле всё просто и логично. Сейчас последовательно во всём разберёмся.

Типы конструкций пневматических форсунок

Классические/базовые пневматические форсунки

Базовая конфигурация водовоздушной форсунки представляет собой корпус с двумя портами: один для подачи воздуха (Air), второй (Liquid) – жидкости. Воздух и вода поступают через эти специальные порты с обеих сторон корпуса и смешиваются. С обратной стороны установлена либо заглушка либо регулировочная игла.

Наконечники (распылительные насадки) форсунки подбираются для достижения желаемой, скорости потока, формы струи и угла распыления, принципа подачи жидкости (под давлением или самотёком/эжекцией) и принципа смешения (внутреннее или внешнее). 

Иногда корпуса базовых пневматических форсунок имеют в своём составе иглу для ручной прочистки или регулировки расхода.

Базовое тело пневматической форсунки с портами для подачи жидкости (Liquid) и воздуха (Air)		Тело пневматической форсунки с иглой для ручной регулировки расхода

Автоматические пневматические форсунки

В отличие от базовых конфигураций, корпуса автоматических форсунок содержат цилиндр с пневматическим приводом, который управляет распылением с помощью иглы, открывая или закрывая жидкостное сопло распылительной насадки.

Обычно воздух, используемый для распыления жидкости, подается непрерывно, в то время как воздух к приводу иглы используется для запуска и остановки циклов распыления.

Автоматические распылители идеально подходят для технологических линий, где распыление необходимо только при прохождении продукта.

Ультразвуковые пневматические форсунки

Ультразвуковые форсунки производят очень мелкодисперсную струю и имеют отличный от других пневматических форсунок принцип работы.

Процесс распыления можно разделить на два этапа. Жидкость сначала впрыскивается через ряд небольших отверстий, где она разбивается потоком воздуха с высокой скоростью.

На втором этапе первоначальные капли, получившиеся при первичном распылении, попадают в резонатор, прикрепленный к переднему концу форсунки. Высокочастотные звуковые волны резонатора разбивают капли, создавая тонкий туман.

Основное преимущество ультразвуковых распыляющих форсунок: они не оставляют мокрых участков или мокрых пятен в зоне действия. Как правило, если их закрепить на достаточном расстоянии от поверхности, вода испарится до того, как успеет осесть.

Ультразвуковые форсунки потребляют мало воды и обычно не забивают отверстие. Чаще всего именно этот тип используется для подавления пыли и контроля запаха.

Виды пневматических форсунок по принципу конфигурации смешивания

Рассматривая виды смешивания жидкости и воздуха в пневматических форсунках, также упомянем модели распыления, доступные для каждого из этих типов смешивания.

Внутреннее смешение в пневматических форсунках

Жидкость и газ объединяются внутри воздушной насадки форсунки и выходят через одно отверстие, чтобы обеспечить самое тонкое распыление.

В данном варианте воздух и жидкость напрямую связаны друг с другом, и изменение давления воздуха влияет на поток жидкости. Внутреннее смешение применимо для распыления жидкостей вязкостью менее 200 cP (сантипуаз).

Для данного типа смешивания доступны следующие модели распыления:

• Полный конус
• Полый конус
• Плоский факел (веерные)

Внешнее смешивание в пневматических форсунках

Жидкость и газ объединяются снаружи форсунки. Сжатый воздух разбивает жидкость, вылетающую из сопла. Поскольку нет соединения между впускными линиями воздуха и жидкости, может быть достигнута более точная степень контроля расхода по жидкости. Внешнее смешение позволяет регулировать расход сжатого воздуха для подбора оптимальной степени атомизации. 

Эта система допускает распыление всех видов жидкостей, включая вязкие жидкости, вязкостью свыше 200 cP (вплоть до консистенции мёда и чёрной патоки). 

Для данного типа смешения доступны следующие модели распыления:

1. Полный конус
2. Плоский факел (веерные)

Виды пневматических форсунок по принципу подачи жидкости

Жидкость для распыления чаще всего подается либо под давлением (Pressure feed), либо методом всасывания (эжекции) или как его еще называют – сифонным методом (Suction feed или Siphon feed). 

Существует еще метод подачи самотеком (Gravity feed), но для него используются те же насадки, что и для сифонного типа.

При подачи жидкости самотёком рекомендуется использовать тело водовоздушной форсунки с иглой для автоматического запирания, чтобы жидкость не вытекала самопроизвольно при отключении распыления. Он имеет ряд недостатков (слабый контроль подачи жидкости, невозможность работы с вязкими веществами и т.п.), но имеет преимущество в том, что не требуется насос для подачи жидкости. 

Пневматические форсунки с сифонной подачей жидкости

Предназначены для применения в условиях отсутствия давления жидкости. Их можно использовать с жидкостями, подаваемыми самотеком, или с жидкостями, засасываемыми из канистры или другой ёмкости, расположенной на определённой высоте от форсунки.

Такой тип форсунок устраняет необходимость в жидкостных насосах и зависит исключительно от давления/потока сжатого воздуха для подачи жидкости в смесительную камеру. Опять же, жидкости с вязкостью более 200 cP не подходят для этого типа процесса распыления.

Для данного типа смешивания доступны следующие модели распыления:

1. Полный конус
2. Плоский факел (веерные)

Методика подбора пневматических форсунок

Для правильного подбора пневматической форсунки вам нужно будет пройти несколько простых шагов, ответив на ряд вопросов.

Алгоритм действий может быть следующим:

Шаг 1. Определите задачу, которую вы хотите решить с помощью пневматического распыления жидкостей:

• Что нужно распылять
• О каком расходе распыляемой жидкости идет речь
• Форма и желаемый угол раскрытия факела

Кроме этого стоит изучить ресурсы производства: доступен ли сжатый воздух и гидронасос.

Шаг 2. На втором шаге стоит убедиться, что для достижения требуемых результатов нужно именно водовоздушное распыление или их можно достичь при обычном гидравлическом распылении (без сжатого воздуха).

Для распыления жидкости с вязкостью более 50 сП (сантипуаз) рекомендуется применение водовоздушных форсунок. Также если вам требуется сверхмалый расход или нужно получить очень мелкую каплю, правильный выбор - водовоздушные форсунки.

Шаг 3. В зависимости от наличия гидронасоса выберите тип способ подачи жидкости. Если гидронасоса нет – определите как подавать жидкость: самотеком или всасыванием (сифонный метод). Кроме этого определитесь со свойствами доступного воздуха: рабочее давление воздуха в системе и допустимый расход.

Шаг 4. Определите свойства струи, которая вам необходима: форма, расход и угол распыления;

Шаг 5. Выберите между внутренним или внешним смешением: если вязкость жидкости высокая (свыше 200 сП), рекомендуется внешнее смешение. И наоборот, если вязкость близко к вязкости воды – можно использовать внутреннее смешивание.

Шаг 6. Определите способ управления распылением и набор аксессуаров, который вам необходим: к примеру, запорные или чистящие иглы, возможность ручной регулировки расхода и т.д. 

Для большей наглядности алгоритм действий представлен на инфографике ниже. 

Еще одним решающим фактором при выборе форсунки является вязкость или густота жидкости, которую необходимо распылять. Различные насадки совместимы с различными вязкостями, измеряемыми в сантипуазах (cP).

К примеру, форсунки с внешним смешением жидкости и воздушной смеси могут работать с более вязкими веществами, чем форсунки внутреннего смешения. 

Вязкость до 200 сП - любая водовоздушная форсунка.

Вязкость свыше 200 сП - водовоздушная форсунка внешнего смешения.

Помощь в выборе пневматической форсунки

Даже зная все необходимые параметры, выбрать правильную пневматическую форсунку бывает сложно. Чтобы упростить выбор, вы можете воспользоваться функцией подбора форсунки по заданным параметрам с помощью виджета на нашем сайте.

После автоматического подбора, результаты выбора проходят ручную обработку нашими экспертами, которые отлично разбираются в особенностях форсунок от разных производителей и помогут определиться с выбором наилучшего решения для требуемой вам технологии распыления. 

Ищете решение? Свяжитесь с нами, напишите запрос на lead@spray-expert.ru мы оперативно подберем Вам варианты.