Форсунки вода-воздух: принцип работы и как подобрать атомайзер

Форсунки вода-воздух применяются там, где необходимо получить мелкодисперсное и управляемое распыление жидкости с использованием сжатого воздуха.

В отличие от обычной гидравлической форсунки, где распыление создаётся главным образом за счёт давления жидкости и геометрии сопла, в двухфазной форсунке в процесс атомизации дополнительно вовлекается сжатый воздух.

Это даёт дополнительные возможности управления распылением, но одновременно делает систему сложнее: необходимо учитывать давление и расход жидкости, давление и расход воздуха, конструкцию смешивания, форму факела, количество форсунок и возможности компрессора.

Разберём принцип работы форсунок вода-воздух, отличие от гидравлических форсунок и основные параметры их подбора.

1. Что такое форсунка вода-воздух

Форсунка вода-воздух — это двухфазный распылитель, в котором для формирования распыла используются две рабочие среды:

• жидкость;
• сжатый воздух или другой газ.

Воздух участвует в дроблении жидкости на капли.

Поэтому такие форсунки также называют:

• пневматическими форсунками;
• двухфазными форсунками;
• атомизирующими форсунками;
• пневматическими атомайзерами;
• форсунками air-water.

В промышленности вместо воды может использоваться и другая жидкость, если материалы форсунки и конструкция системы совместимы с рабочей средой.

2. Как работает форсунка вода-воздух

К форсунке подводятся две среды:

1. Жидкость — например вода.

2. Сжатый воздух — который участвует в атомизации жидкости.

В зоне смешивания энергия воздушного потока помогает разрушать поток жидкости на более мелкие капли.

В результате характеристики распыла зависят уже не от одного давления воды, а от сочетания параметров обеих сред.

3. Чем вода-воздух отличается от обычной гидравлической форсунки

В гидравлической форсунке энергия для распыления поступает в основном от давления самой жидкости.

В системе вода-воздух дополнительную энергию в процесс вносит сжатый газ.

4. Зачем использовать сжатый воздух

Основная причина применения двухфазной форсунки — необходимость получить характеристики распыла, которые сложно или нерационально получать только гидравлическим способом.

Сжатый воздух позволяет дополнительно влиять на процесс разрушения жидкости на капли.

Поэтому форсунки вода-воздух применяют там, где важны:

• мелкодисперсное распыление;
• управление характеристиками распыла;
• относительно небольшой расход жидкости;
• возможность регулировать процесс через параметры воздуха и жидкости;
• стабильное распыление в заданном технологическом режиме.

5. Где применяются форсунки вода-воздух

Конкретное применение зависит от конструкции форсунки и параметров процесса.

Двухфазные атомайзеры могут использоваться для:

• охлаждения;
• увлажнения;
• пылеподавления;
• нанесения жидкостей;
• смачивания;
• распыления технологических растворов;
• мелкодисперсного орошения;
• других процессов, требующих контролируемой атомизации.

6. Внутреннее и внешнее смешивание

Один из основных конструктивных параметров атомайзера — место взаимодействия жидкости и воздуха.

Различают:

• внутреннее смешивание;
• внешнее смешивание.

Это не просто конструктивная особенность: тип смешивания влияет на работу форсунки и требования к системе.

7. Что такое внутреннее смешивание

При внутреннем смешивании жидкость и воздух взаимодействуют внутри корпуса или распыляющей части форсунки до выхода наружу.

Сформированная двухфазная смесь затем выходит через распыляющее отверстие.

Именно такой принцип указан, например, для представленных на rusforsunki.ru форсунок серии E1.

К этому типу относятся:

• E1-B6-P32A SS316;
• E1-B6-P32A NPBR;
• E1-B2-P31 NPBR;
• E1-B2-P31 SS303.

8. Что такое внешнее смешивание

При внешнем смешивании потоки жидкости и воздуха выходят из отдельных каналов и взаимодействуют уже за пределами форсунки.

Такое исполнение может быть полезно в определённых технологических процессах, однако конкретный выбор необходимо выполнять по характеристикам производителя и условиям применения.

Нельзя считать внутреннее или внешнее смешивание универсально лучшим вариантом — они предназначены для разных режимов работы.

9. Почему нельзя подобрать вода-воздух только по расходу воды

Для обычной гидравлической форсунки расход жидкости является одним из основных параметров.

Для двухфазного атомайзера этого недостаточно.

Необходимо одновременно знать:

• расход жидкости;
• давление жидкости;
• расход воздуха;
• давление воздуха;
• требуемую форму распыла;
• условия процесса.

Одинаковый расход жидкости при различных параметрах воздуха может соответствовать различным режимам распыления.

10. Соотношение воздуха и жидкости

Одним из важных параметров двухфазного распыления является отношение количества воздуха к количеству жидкости.

В инженерной литературе и документации производителей может использоваться параметр air-to-liquid ratio.

В общем виде:

ALR = расход воздуха / расход жидкости

Но важно учитывать единицы измерения и методику конкретного производителя.

Поэтому нельзя напрямую сравнивать ALR разных форсунок без понимания, в каких единицах и условиях приведены данные.

11. Как воздух влияет на размер капель

При определённой конструкции и рабочем режиме увеличение энергии воздушного потока может усиливать атомизацию жидкости.

Однако правило «чем больше воздуха, тем всегда лучше» использовать нельзя.

Каждая форсунка имеет рабочий диапазон, а изменение параметров может влиять одновременно на:

• размер капель;
• форму факела;
• расход;
• скорость капель;
• стабильность распыла.

Поэтому рабочую точку необходимо выбирать по таблицам или диаграммам конкретной модели.

12. Как давление жидкости влияет на работу

Давление жидкости также является частью рабочего режима.

Но для двухфазной форсунки нельзя автоматически применять к системе все правила, используемые для обычных гидравлических форсунок.

В частности, зависимость расхода от давления может определяться взаимодействием двух сред и конструкцией атомайзера.

Поэтому для точного подбора необходимо использовать рабочие характеристики конкретной серии.

13. Форма факела вода-воздух

Двухфазные форсунки могут иметь различную геометрию распыла.

Один из вариантов — плоскоструйный факел.

Именно плоскоструйное распыление указано в карточках нескольких моделей E1, представленных в каталоге B4S.

Плоский факел может быть полезен, когда жидкость необходимо распределять по определённой ширине или направленной зоне.

14. Реальный пример — EUS E1-B6-P32A SS316

Одна из представленных на сайте моделей — EUS E1-B6-P32A SS316.

• резьба: 1/4;
• материал: AISI 316;
• тип распыления: плоскоструйное;
• смешивание: внутреннее.

Нержавеющая сталь AISI 316 может быть интересна для процессов, где требуется повышенная коррозионная стойкость материала.

Посмотреть EUS E1-B6-P32A SS316 →

15. EUS E1-B6-P32A NPBR — вариант из никелированной латуни

Для той же конфигурации распыления в каталоге представлен вариант EUS E1-B6-P32A NPBR.

• резьба: 1/4;
• материал: никелированная латунь;
• тип распыления: плоскоструйное;
• смешивание: внутреннее.

Таким образом, при подборе атомайзера необходимо выбирать не только распыляющую конфигурацию, но и материал исполнения.

Посмотреть EUS E1-B6-P32A NPBR →

16. EUS E1-B2-P31 NPBR — ещё один вариант серии

В каталоге представлена также модель EUS E1-B2-P31 NPBR.

• резьба: 1/4;
• материал: никелированная латунь;
• тип распыления: плоскоструйное;
• смешивание: внутреннее.

Разные комбинации распыляющих компонентов серии позволяют подбирать характеристики атомайзера под требуемый технологический режим.

Посмотреть EUS E1-B2-P31 NPBR →

17. EUS E1-B2-P31 SS303 — исполнение из нержавеющей стали

Ещё один вариант — EUS E1-B2-P31 SS303.

• резьба: 1/4;
• материал: AISI 303;
• тип распыления: плоскоструйное;
• смешивание: внутреннее.

Такой ассортимент позволяет выбирать материал с учётом рабочей жидкости и окружающей среды.

Посмотреть EUS E1-B2-P31 SS303 →

18. Как выбрать материал форсунки

Материал должен соответствовать условиям эксплуатации.

При подборе учитывают:

• химический состав жидкости;
• температуру;
• коррозионность среды;
• условия окружающей атмосферы;
• требования технологического процесса.

На сайте представлены вода-воздух исполнения из нержавеющей стали и никелированной латуни.

Подробнее: как выбрать материал промышленной форсунки →

19. Вода-воздух или HCF

Для мелкодисперсного распыления можно использовать как двухфазные атомайзеры, так и гидравлические туманообразующие форсунки HCF.

Но принцип работы систем отличается.

Если необходимое качество распыления можно получить гидравлической форсункой, HCF может быть более простой системой.

Если технологический процесс требует возможностей двухфазной атомизации, рассматривают вода-воздух.

Подробнее: гидравлические форсунки для туманообразования →

20. Когда HCF может быть рациональнее

Гидравлическая система может быть привлекательна, если:

• не хочется использовать компрессор;
• требуемый распыл достигается давлением воды;
• нужно большое количество распределённых точек;
• важна простота трубопроводной системы;
• нет необходимости независимо управлять воздухом.

Например, для увлажнения или пылеподавления во многих случаях сначала имеет смысл проверить возможность применения HCF.

21. Когда вода-воздух может быть предпочтительнее

Двухфазное распыление стоит рассматривать, если технологическая задача требует более гибкого управления процессом атомизации и на объекте доступен сжатый воздух.

Особенно это актуально, когда:

• расход жидкости должен быть ограничен;
• необходимо мелкодисперсное распыление;
• важно регулировать распыл через параметры двух сред;
• технологический процесс уже использует сжатый воздух;
• гидравлическое распыление не обеспечивает требуемый режим.

22. Почему стоимость сжатого воздуха нужно учитывать заранее

Сжатый воздух — это не бесплатная рабочая среда.

Компрессор потребляет электроэнергию, а система требует:

• подготовки воздуха;
• трубопроводов;
• регуляторов;
• клапанов;
• фильтрации;
• обслуживания.

Поэтому сравнивать HCF и вода-воздух только по стоимости самой форсунки неправильно.

Следует учитывать стоимость эксплуатации всей системы.

23. Как рассчитать общий расход воздуха

Если все форсунки работают в одинаковой рабочей точке, предварительно:

Q_air,total = Q_air,nozzle × N

где:

• Q_air,total — суммарный расход воздуха;
• Q_air,nozzle — расход одной форсунки;
• N — количество форсунок.

Например, если одна форсунка в выбранном режиме потребляет условно 20 м³/ч воздуха, а одновременно работают 10 форсунок:

20 × 10 = 200 м³/ч

Важно: 20 м³/ч здесь приведено только как пример расчёта, а не как характеристика конкретной модели E1.

24. Как рассчитать общий расход жидкости

Аналогично:

Q_liquid,total = Q_{liquid,nozzle} × N

Например, если в выбранной рабочей точке одна форсунка расходует 5 л/ч жидкости, десять форсунок потребуют:

5 × 10 = 50 л/ч

Значение 5 л/ч также является только примером для демонстрации расчёта.

Фактические расходы необходимо брать из рабочих характеристик конкретной модели.

25. Почему компрессор нельзя подбирать только по мощности двигателя

Для системы распыления важна не только мощность компрессора.

Необходимо знать:

• требуемый расход воздуха;
• рабочее давление;
• количество одновременно работающих форсунок;
• других потребителей воздуха на предприятии;
• потери давления в трубопроводе;
• необходимый резерв производительности.

Главный вопрос — сможет ли система обеспечить требуемый расход воздуха при требуемом давлении непосредственно возле работающих форсунок.

26. Давление компрессора и давление на форсунке — не одно и то же

Между компрессором и атомайзером находятся:

• магистраль;
• фильтры;
• регуляторы;
• клапаны;
• фитинги;
• локальные трубопроводы.

Все эти элементы могут создавать потери давления.

Поэтому рабочее давление следует контролировать максимально близко к потребителю.

27. Подготовка сжатого воздуха

Качество сжатого воздуха может иметь значение для стабильной работы системы.

В зависимости от требований процесса могут применяться:

• фильтрация;
• удаление конденсата;
• регулирование давления;
• другая подготовка воздуха.

Конкретные требования определяются конструкцией системы и технологическим процессом.

28. Подготовка жидкости

Жидкость также должна соответствовать требованиям форсунки.

Необходимо учитывать:

• наличие твёрдых частиц;
• вязкость;
• температуру;
• химический состав;
• возможность образования отложений.

Загрязнение каналов может изменить характеристики распыла или привести к засорению.

Подробнее: засорение форсунок и фильтрация →

29. Как управлять системой вода-воздух

В зависимости от задачи система может включать:

• регулятор давления жидкости;
• регулятор давления воздуха;
• манометры;
• расходомеры;
• электромагнитные клапаны;
• контроллер;
• датчики технологического процесса.

Это позволяет включать распыление только тогда, когда оно требуется, и поддерживать заданный рабочий режим.

30. Можно ли регулировать расход только давлением воздуха

Не следует считать давление воздуха единственным регулятором системы.

Фактический режим зависит от взаимодействия жидкости, воздуха и конструкции форсунки.

Изменение одного параметра может повлиять сразу на несколько характеристик распыла.

Поэтому регулировку необходимо выполнять в пределах рабочих характеристик конкретной модели.

31. Типичные ошибки при выборе атомайзера

31.1. Подбирать форсунку только по резьбе

Одинаковое присоединение 1/4 не означает одинаковые характеристики распыления.

31.2. Учитывать расход воды, но забывать про воздух

Для двухфазной системы необходим расчёт обеих рабочих сред.

31.3. Покупать форсунки до проверки компрессора

Существующая система сжатого воздуха может не иметь достаточного резерва производительности.

31.4. Не учитывать потери давления

Давление в компрессорной не равно автоматически давлению возле форсунки.

31.5. Считать, что больше воздуха всегда даёт лучший распыл

Каждая модель имеет свой рабочий диапазон.

31.6. Игнорировать материал

Материал форсунки должен быть совместим с жидкостью и условиями процесса.

31.7. Использовать вода-воздух там, где достаточно гидравлической HCF

Это может неоправданно усложнить систему и увеличить эксплуатационные расходы.

31.8. Использовать гидравлическую форсунку там, где процесс требует двухфазной атомизации

В этом случае невозможно получить преимущества управления через воздушную среду.

32. Алгоритм подбора форсунки вода-воздух

Шаг 1. Определите технологическую задачу.

Шаг 2. Определите распыляемую жидкость.

Шаг 3. Определите требуемый расход жидкости.

Шаг 4. Определите требуемую форму и зону распыла.

Шаг 5. Определите требования к дисперсности.

Шаг 6. Проверьте наличие сжатого воздуха.

Шаг 7. Определите доступное давление и производительность воздушной системы.

Шаг 8. Выберите тип смешивания.

Шаг 9. Подберите распыляющую конфигурацию.

Шаг 10. Выберите материал.

Шаг 11. Рассчитайте суммарный расход воздуха и жидкости для всех форсунок.

Шаг 12. Проверьте рабочую точку по техническим характеристикам конкретной модели.

33. Какие данные нужны для подбора

Для инженерного подбора желательно предоставить:

• описание технологического процесса;
• какую жидкость необходимо распылять;
• необходимый расход жидкости;
• требуемую форму факела;
• размер зоны распыления;
• расстояние до объекта;
• доступное давление жидкости;
• доступное давление воздуха;
• производительность компрессора;
• количество форсунок;
• температуру процесса;
• материал оборудования;
• фото или чертёж места установки.

Если точные параметры пока неизвестны, можно начать с описания задачи и фотографии оборудования.

34. Часто задаваемые вопросы

Что такое форсунка вода-воздух?

Это двухфазная форсунка, в которой для атомизации жидкости используется сжатый воздух.

Нужен ли компрессор?

Да. Для работы двухфазной форсунки необходимо обеспечить требуемую подачу сжатого воздуха.

Чем вода-воздух отличается от HCF?

HCF является гидравлической форсункой и работает без отдельной подачи сжатого воздуха. В двухфазном атомайзере воздух непосредственно участвует в процессе распыления.

Что лучше — HCF или вода-воздух?

Выбор зависит от технологической задачи. Если требуемый распыл можно получить гидравлически, система HCF проще. Если необходимо использовать возможности двухфазной атомизации, рассматривают вода-воздух.

Что такое внутреннее смешивание?

При внутреннем смешивании жидкость и воздух взаимодействуют внутри распыляющей части до выхода из форсунки.

Можно ли регулировать размер капель?

Характеристики распыла зависят от конструкции форсунки и рабочего режима обеих сред. Для конкретной модели необходимо использовать её рабочие таблицы и диаграммы.

Как рассчитать расход компрессора?

Сначала определяется расход воздуха одной форсунки в требуемой рабочей точке, затем он умножается на количество одновременно работающих форсунок. Дополнительно учитываются другие потребители и необходимый резерв.

Можно ли использовать вода-воздух для охлаждения?

Да, двухфазное распыление может применяться в системах охлаждения, если характеристики форсунки соответствуют технологическому процессу.

Можно ли использовать такие форсунки для увлажнения?

Да, но следует сравнить двухфазную систему с более простой гидравлической системой HCF или CX и определить, нужны ли для задачи преимущества сжатого воздуха.

35. Подходящие форсунки вода-воздух

Для предварительного выбора можно рассмотреть несколько реальных моделей из каталога.

35.1. EUS E1-B6-P32A SS316

EUS E1-B6-P32A SS316 — резьба 1/4, AISI 316, плоскоструйное распыление, внутреннее смешивание.

35.2. EUS E1-B6-P32A NPBR

EUS E1-B6-P32A NPBR — резьба 1/4, никелированная латунь, плоскоструйное распыление, внутреннее смешивание.

35.3. EUS E1-B2-P31 NPBR

EUS E1-B2-P31 NPBR — резьба 1/4, никелированная латунь, плоскоструйное распыление, внутреннее смешивание.

35.4. EUS E1-B2-P31 SS303

EUS E1-B2-P31 SS303 — резьба 1/4, AISI 303, плоскоструйное распыление, внутреннее смешивание.

36. Подбор форсунок вода-воздух B4S

Для правильного выбора атомайзера необходимо определить параметры не только жидкости, но и сжатого воздуха.

Отправьте специалистам B4S описание технологического процесса, требуемый расход жидкости, доступное давление воды и воздуха, данные компрессора, количество форсунок и, если возможно, фото или чертёж оборудования.

Инженер B4S поможет подобрать подходящую конфигурацию форсунки и определить исходные параметры системы.

Получить консультацию и отправить заявку на подбор форсунок →