נחיר רסס

נחיר רסס הוא מכשיר המאפשר פיזור של נוזל לתרסיס ומטרתו הגדלת שטח הפנים של הנוזל על פני המשטח המוצק.

נחירי רסס מתוכננים שיפעלו בהצלחה במצבים שונים. יש להתחשב במאפיינים הבאים בעת בחירת הנחיר:

דפוס הריסוס
ספיקה
עצמת פגיעת הרסס במשטח
זווית הריסוס
גודל הטיפה
מקדם גרר
קישורים חיצוניים

דפוס הריסוס

בחירת הנחיר בהתבסס על דפוס הריסוס ועל ומאפיינים נדרשים אחרים, מניבה באופן כללי תוצאות טובות. מאחר שנחיר הרסס מעוצב כך שיפעל בתנאי ריסוס שונים, ייתכן ויותר מנחיר אחד עשוי להתאים לדרישות יישום נתונות. משטחים יכולים להיות מרוססים בכל דפוס אפשרי. התוצאות צפויות למדי, בהתבסס בסוג דפוס הריסוס המפורט. במידה והמשטח קבוע, הנחיר המועדף הוא לרוב סוג מסוים של חרוט מלא, כיוון שדפוס הריסוס של נחיר כזה יכסה שטח גדול יותר מאשר סוגים אחרים של נחירי ריסוס. יישומים מרחביים, בהם המטרה העיקרית היא לא לרסס על משטח, ידרשו בדרך כלל מאפייני ריסוס מיוחדים. הצלחה ביישומים כאלה תלויה כמעט תמיד בגורמים כגון גודל הטיפות ומהירות הריסוס. התנדפות, דרגות קירור לגזים ומוצקים, ויעילות הניקיון הם דוגמאות למאפיינים של תהליך אשר עשויים להיות תלויים במידה רבה באיכות הריסוס.

כל תבנית ריסוס מתוארת מטה עם שימושים סופיים אופייניים:

נחיר בעל זרימה קבועה – בעל עצמת פגיעה גבוהה ומשמש בעיקר לניקוי. למשל נחירי מכלי ניקוי (קבועים או מסתובבים).

חרוט חלול - דפוס הריסוס הוא בצורת טבעת עגולה של נוזל. הדפוס מושג על ידי שימוש בפתח כניסה המשיק לתא מערבולת גלילי הפתוח בקצה אחד. לפתח היציאה העגול יש קוטר הקטן מזה של תא המערבולת. הנוזל מסתובב, דבר הגורם לצורה מעוגלת. מרכז הטבעת הוא חלול. נחיריים בצורת חרוט חלול מתאים ליישומים בלחצים נמוכים או כאשר יש צורך במעבר חום מהיר. נחיריים אלה מאפיינים בנוסף במעברי זרימה גדולים, אשר מספקים עמידות גבוהה יחסית לסתימות. בנוסף, דפוס זה דואג לפיזור רסס עם גודל הטיפות הקטן ביותר. הטווח היחסי של גודל הטיפות נוטה להיות צר יותר מאשר בדגמים הידראוליים אחרים.

חרוט מלא – נחירי חרוט מלא מפיקים כיסוי ריסוס מלא של שטח בצורה מרובעת, עגולה או אליפטית. בדרך כלל הנוזל מסתחרר בתוך הנחיר ומתערבב עם נוזל לא מסתובב אשר עקף להב פנימית. לאחר מכן הנוזל יוצא דרך הפתח ויוצר דפוס בצורת חרוט. זווית הריסוס ופיזור הנוזל בחרוט תלויים בצורת הלהב ובמיקום היחסי שלה לפתח היציאה. עיצוב פתח היציאה והפרופורציות הגאומטריות היחסיות גם כן משפיעות על זווית הריסוס והפיזור. נחירי חרוט מלא יוצרים פיזור רסס אחיד של טיפות בגודל בינוני עד גדול הנוצרות עקב עיצוב הליבה שלהם, המאופיין במעברי זרימה רחבים. נחירי חרוט מלא נמצאים בשימוש הרב ביותר בתעשייה.

ריסוס שטוח – כפי שהשם מרמז, דפוס הריסוס נראה כדף שטוח של נוזל. התבנית נוצרת על ידי פתח עגול או אליפטי על משטח עקום הנמצא במיקום משיק לפתח היציאה. לפתח יש חריץ חיצוני בעל צורת "עין החתול". בעיצוב הפתח האליפטי, הדפוס מרוסס מהפתח בקו ישר עם הצינור. בעיצוב המוטה, התבנית מרוססת בניצב לצינור. קיימות 2 קטגוריות של רסס שטוח – מחודד ומאוזן, בהתאם לאחידות הרסס על תבנית הריסוס.

ריסוס רב-נוצתי (Multiple Plume) – משתמשים בריסוס זה באופן שגרתי במזרקי דלק ברכבים. הנוצות הרבות משמשות בעיקר לספק את הערבוב האופטימלי של דלק ואוויר כך שיופחת מספר המזהמים במצבי תפעול שונים. כמות הנוצות במזרקי הדלק יכולה לנוע בין 2 ל-8.

ספיקה

כל יצרני נחירי הרסס עורכים טבלאות ספיקה המבוססות על מים. מאחר שכוח המשיכה הסגולי של הנוזל משפיע על קצב הזרימה שלו, הערכים חייבים להיות מותאמים בעזרת הנוסחה מטה, כאשר Qw הוא ספיקה נפחית של מים ו-Spg הוא כוח המשיכה הסגולי של הנוזל. מתקבלת הספיקה הנפחית של הנוזל – Qf.

$Q_{f}={Q_{w}}/{\sqrt {S{p_{g}}}}\$

ספיקת הנחיר משתנה לפי לחץ הריסוס. באופן כללי, הקשרים בין הספיקה ללחץ מתוארים כך: ${Q_{2}}={Q_{1}}{\sqrt {P_{2}/P_{1}}}$ כאשר Q1 היא הספיקה הידועה בלחץ P1 ו-Q2 היא הספיקה שמחפשים בלחץ P2.

עצמת פגיעת הרסס במשטח

עצמת פגיעת הרסס על המשטח מבוטא כ: כוח חלקי משטח – N/(m^2). הערך תלוי בפיזור דפוס הריסוס ובזווית הריסוס. באופן כללי, נחירי זרימה קבועה או נחירי ריסוס צר ושטוח משמשים לאפליקציות בהן יש עצמת פגיעה גבוהה, כמו ניקוי למשל. עבור כל דפוסי הריסוס, עצמת הפגיעה פוחתת ככל שהמרחק מהנחיר עולה, ובכך גדל האזור המושפע. השפעת הספריי - F_l תלוי בספיקה הנפחית Q והפרש הלחץ על-פי המשוואה מטה. סוג הנחיר והמרחק בינו לבין המשטח משפיעים על הקבוע C. ${F_{l}}=CQ{\sqrt {\Delta P}}$

זווית הריסוס והכיסוי

זווית הריסוס משתנה כאשר אורך הריסוס גדל. כפי הנראה באיור מטה, זווית הריסוס נוטה לקרוס או להשתנות עם הגדלת המרחק מהמשטח. כיסוי הריסוס משתנה על-פי זווית הריסוס. הכיסוי התאורטי C של דפוסי ריסוס במרחקים שונים יכול להיות מחושב על-פי הנוסחה מטה עבור זוויות ריסוס של פחות מ-180 מעלות: ${C}=2D\tan(\theta /2)$ . ההנחה היא כי זווית הריסוס נשארת קבועה לכל אורך הריסוס. נוזלים בעלי צמיגות גבוהה ממים יוצרים זוויות ריסוס קטנות יותר, או זרימה קבועה, כתלות בספיקת הנחיר, לחץ הריסוס והצמיגות. נוזלים עם מתח פנים נמוך יותר ממים מייצרים זוויות ריסוס רחבות יותר מאשר הזוויות הידועות עבור מים. זוויות ריסוס נמדדות בדרך כלל בעזרת שיטות אופטיות שונות או בעזרת שיטות מכניות. זוויות ריסוס הן חשובות ביישומי ציפוי למניעת ריסוס יתר של החומרים אותם מצפים, במנועי בעירה למניעת הרטבה של קירות הצילינדר ובמטפי אש לספק כיסוי מתאים של הציוד עליו מגנים.

גודל טיפות הריסוס

גודל הטיפות הוא הגודל של טיפות הריסוס אשר מגדירות את דפוס הריסוס מהנחיר. טיפות הריסוס אינן באותו גודל עבור ריסוס נתון. קיימות מספר דרכים לתאר את גודלי הטיפות במהלך ריסוס:

גודל ממוצע לפי סאוטר (SMD) או D32 -

מידת הדיוק של הריסוס מבוטאת במונחים של גודל המשטח המיוצר על ידי הריסוס.
קוטר של טיפה בעלת יחס נפח-שטח פנים זהה ליחס סך הנפחים של כל הטיפות לסך שטח הריסוס של כל הטיפות.

קוטר חציון נפחי (VMD) וקוטר חציון מסי (MMD)

גודל הטיפה מבוטא במונחים של נפח הנוזל המרוסס
גודל הטיפה נמדד במונחים של נפח (או מסה) כאשר 50% מסך הנפח של טיפות הנוזל המרוסס הם בעלי קטרים הגדולים מערך החציון ו-50% עם קטרים קטנים יותר.

גודל הטיפות נמדד במיקרומטר.

צפיפות שטח הפנים של גודל הטיפות

צפיפות שטח הפנים של גודל הטיפות הוא התוצר של שטח פני הטיפות ומספר הטיפות ליחידת נפח. צפיפות שטח הפנים הוא מאוד חשוב ביישומים של אידוי ובערה, מאחר שקצב האידוי המקומי קשור קשר הדוק לצפיפות שטח הפנים. בליעת האור הנגרמת על ידי טיפות הריסוס נמצאת גם היא בפרופורציה לצפיפות שטח הפנים.

פיזור גודל הטיפות - גודל ו/או נפח פיזור הטיפות בריסוס מבוטא לרוב על ידי אחוז הנפח המצטבר כתלות בגודל הטיפות.

פקטור תוחלת יחסי (RSF) - השוואת פיזור גודל טיפות מנחיריים חלופיים עשוי להיות מבלבל. ה-RSF (relative span factor – גורם התוחלת היחסי) מצמצם את הפיזור לספרה יחידה. הפרמטר מרמז על האחידות בפיזור גודל הטיפות. ככל שספרה זו קרובה יותר ל-1 כך הריסוס יהיה יותר אחיד (כלומר פיזור הדוק, שונות קטנה מגודל הטיפה המקסימלי לגודל הטיפה המינימלי). ה-RSF מספק אמצעים פרקטיים להשוואת פיזורים של גודלי טיפות משתנים.

${RSF}={\frac {D_{V0.9}-D_{V0.1}}{D_{V0.5}}}$

מדידת גודל הטיפות – שלוש השיטות הנפוצות למדידת גודל הטיפות הן עקיפת לייזר, הדמיה אופטית ופאזת דופלר. כל השיטות הללו הן לא פולשניות. במידה ולכל הטיפות היו את אותה המהירות, תוצאות המדידה היו זהות עבור כל השיטות. בפועל קיים הבדל משמעותי בין המהירויות של טיפות גדולות וקטנות. את השיטות האופטיות המוצגות ניתן לסווג כמבוססות על מרחב או מבוססות על שטף. שיטת דגימה מרחבית מודדת את הטיפות בעזרת טכניקת נפחים סופיים. זמן השהייה של הטיפות במדידת הנפח משפיע על התוצאות. שיטות הדגימה המבוססות על שטף דוגמות ללא הרף את חתך הדגימה.

עקיפת לייזר – שיטת דגימה מרחבית, מסתמכת על עקרון עקיפת פראונהופר (Fraunhofer), אשר נגרם כתוצאה מאינטראקציה של אור עם טיפות הריסוס. זווית הפיזור של העקיפה היא ביחס הפוך לגודל הטיפות. שיטה לא פולשנית זו משתמשת בנפח בקרה אופטי של גליל ארוך. האור המפוזר עובר דרך מערכת עדשות מיוחדת ונאגר על-פני מספר טבעות פוטו-דיודה ממורכזות. הסיגנל מהטבעות משמש לחישוב חוזר של פיזור גודל הטיפות. מספר עדשות מאפשרות מדידות מ-1.2 עד 180מיקרומטר.

הדמיה אופטית – שיטה זו משתמשת בפולס של אור, לייזר או הבזק על-מנת ליצור הדמיה גרפית של צל המשמשת לקביעת גודל הטיפה בנפח המדידה. למדידה מרחבית זו קיים טווח של 5 עד 10,000 מיקרומטר עם עדשות ושינויים אופטיים. תוכנת ניתוח ההדמיה מעבדת את ההדמיות הראשוניות לקביעת קוטר הטיפה. שיטה זו מתאימה בעיקר לכימות קטרים גדולים של טיפות בצפיפות ריסוס קטנה או בינונית, לנוזלים דלילים (תרחיפים) וכן טיפות שנוצרו בצורה חלקית.

פאזת דופלר (PDPA)– שיטה המבוססת על השטף, ומודדת את גודל החלקיק ואת מהירותו בו זמנית. זוהי שיטה ייחודית כיוון שהאינפורמציה לגבי גודל הטיפה ומהירותה נמצאת בהפרש הפאזות בין הסיגנלים של הגלאי ובין שינוי תדר האות. שיטה זו אינה רגישה לעוצמה, ולכן היא משמשת במצבים של ריסוס צפוף יותר. טווח גודל הטיפות הוא בין 1 ל-800 מיקרומטר. בבסיס השיטה קיימות קרני לייזר מצטלבות אשר יוצרות דפוסי ריסוס מתנגשים ומבהירים טיפות כאשר הן עוברות דרך אזור המדידה הקטן. שלושה גלאים צדדיים אוספים את הסיגנלים האופטיים אשר משמשים לקביעת הפרש הפאזה והשינוי בתדירות הנגרמים על ידי הטיפות.

שיטות ההדמיה אופטית ופאזת דופלר מודדות את הגודל של טיפות נפרדות. על-מנת לייצר פיזור טיפוסי ולהביא למינימום את אפקט התנודות הרנדומליות, יש צורך בכמות מספיקה של טיפות (סדר גודל של 10,000 טיפות). לרוב יש צורך למדוד במספר מיקומים שונים, כיוון שגודל הטיפות שונה באזורים שונים במשטח המרוסס.

גורמים המשפיעים על גודל הטיפות:

סוג הנחיר – לנחירי חרוט מלא יש את גודל הטיפות הגדול ביותר, אחריו לנחירי ריסוס שטוח. נחירי חרוט חלול מייצרים את גודל הטיפות הקטן ביותר.
לחץ הריסוס – גודל הטיפות גדל כאשר לחץ הריסוס קטן ולהפך.
קצב הזרימה – קצב הזרימה משפיע ביחס ישר על גודל הטיפות. עלייה בקצב הזרימה תגדיל את לחץ הטיפות ותקטין את גודל הטיפות, בעוד ירידה בקצב הזרימה תקטין את לחץ הטיפות ותגדיל את גודל הטיפות.
זווית הריסוס – זווית הריסוס משפיע ביחס הפוך על גודל הטיפות. הגדלה של זווית הריסוס תקטין את גודל הטיפות בעוד הקטנה של הזווית תגדיל את גודל הטיפות.
מאפייני הנוזל – צמיגות ומתח פנים יגדילו את כמות האנרגיה הדרושה להפרדת החלקיקים של הרסס. הגדלה של כל אחד ממאפיינים אלה תגדיל את גודל הטיפות.

עבור כל דפוס ריסוס, הספיקה הקטנה ביותר תייצר את גודל הטיפות הקטן ביותר וספיקות גדולות ייצרו טיפות גדולות. קוטר חציון נפחי (VMD) מבוסס על כמות הנוזל אשר רוסס, ולכן זהו מדד מקובל. שיקולים מעשיים - נתוני גודל הטיפות מתבססים על משתנים רבים ותמיד נתונים לפרשנויות שונות. הקווים המנחים הבאים מוצעים על-מנת ליצור הבנה ושימוש אפקטיבי בנתוני גודל הטיפות.

איסוף חוזר של מידע ודיוק – מבחן גודל טיפות הוא מבחן שניתן לחזור עליו, אם תוצאות מבחן נתון אינן חורגות מ- ±10%. למשל, אם מבחן מעיד על קוטר חציון נפחי של 100 מיקרומטר, אז ניתן להתייחס אל מבחן נוסף עם תוצאות של בין 90 ל-110 µm כאל שווה אליו.

מכשור והטיה בדיווח – על-מנת ליצור השוואת נתונים תקפה, במיוחד כאשר מדובר במקורות שונים, חשוב במיוחד לדעת את סוג המכשור והטווח בו השתמשו, וטכניקת הדגימה. למכשור והטיה בדיווח יש השפעה ישירה על נתוני גודל הטיפות.

שיקולי האפליקציה – בחרו את ממוצע גודל הטיפות והקוטר כך שיתאימו בצורה הטובה ביותר לאפליקציה. אם המטרה היא רק להשוות בין גודלי טיפות של נחיריים שונים, אז מספיק להשתמש בקוטר חציון נפחי (VMD) או גודל ממוצע לפי סאוטר(SMD) .

מקדם הגרר

נמדל את הטיפה שנעה באוויר כספירה, ובעזרת החישוב של ג'ורג' סטוקס מ-1851 נגיע לביטוי של מקדם הגרר:

${C_{D}}={\frac {24}{Re}}$

ההנחה בחישוב הזה היא שמספר ריינולדס הוא נמוך.

עבור מספרי ריינולדס יותר גבוהים, ייתכן והגרר יהיה גדול יותר עקב היווצרות שובל וניתוקים אפשריים.

עוד סיבה לכך שהנחה זו בעייתית היא מכיוון שנפח הספירה שנעה בעצם מכילה גם שכבת גבול.

שיקולים אלו הביאו למספר תיקונים לגרר סטוקס, בעזרת נתונים מניסויים. קורלציה שהוצעה בלוג'ט (Blodgett, K):

${C_{D}}\cdot {\frac {24}{Re}}=1+0.197Re^{0.63}+2.6X10^{-4}Re^{1.38}$

פרנטל (Prandtl, L) הציע את הקורלציה הבאה:

${C_{D}}={\frac {24}{Re}}+1$ עבור ריינולדס קטן מ-1000.

מלור (Mellor, R) הציע:

${C_{D}}={\frac {1}{Re}}\left[23+\left(1+16Re^{0.33}\right)^{0.5}\right]$

פוטנם (Putnam, A) הציע:

${C_{D}}={\frac {24}{Re}}\left(1+{\frac {1}{6}}Re^{\frac {2}{3}}\right)$ עבור ריינולדס קטן מ-1000.

הקורלציה האחרונה היא הנוחה ביותר מכיוון שהיא מכסה תחום מספרי ריינולדס טיפוסיים ברסס, וכן קל לחלץ ממנה את מהירויות ומסלול הטיפה.

השפעת תאוצה על מקדם הגרר:

ברוב המקרים, מהירות הטיפה תהיה גדולה ממהירות האוויר או קטנה ממנה, כלומר תתרחש תאוצה או תאוטה בהתאמה.

עבור מקרים בהם לא ניתן להזניח את התאוצה המתפתחת, אינגבו (Ingebo, R.D) הציע את הקורלציה הבאה:

${C_{D}}={\frac {27}{Re^{0.84}}}$ עבור ריינולדס בין 6 ל-1000.

מקדם גרר עבור טיפות בתהליך אידוי:

תהליך אידוי של טיפות יכול להשפיע על מקדם הגרר בשתי דרכים:

מעבר מסה עקב כוח הגרר (Blowing Effect)
גרדיאנט הטמפרטורה קרוב למשטח, שמשפיע על התלות של מקדם הגרר על מספר ריינולדס.

יואן וצ'ן (Yuen and Chen) הגיעו למסקנה שהשפעת האידוי על מקדם הגרר מגיעה לא עקב ה-Blowing Effect, אלא עקב שינויים בתכונות פיזיקליות של הגז במשטח הטיפה.

אייזנקלם (Eisenklam, P) הציג מקדם גרר הבא:

${C_{D,m}}={\frac {C_{D}}{1+B_{M}}}$