logo

logo

logo

logo

logo

الإرذاذ

ارذاذ

Atomization - Atomisation

الإرذاذ

  فوزي عوض، صفوان الأيوبي

مرذات المائع الوحيد

مرذات المائع المزدوج

 

 

الشكل (1): مرذ المائع الوحيد بالضغط المباشر .

الشكل (2): مرذ المائع الوحيد بالضغط الدوامي .

الشكل (3): مرذ المائع الوحيد بالصدم النافوري الحلزوني .

الشكل (4): مرذات المائع المزدوج بالمزج الداخلي .

الشكل (5): مرذات المائع المزدوج بالمزج الخارجي.

الشكل (6): آليات الإرذاذ الثانوي التي تظهر مع تزايد عدد ويبر؛ إذ يمكن تخطي بعض المراحل مع زيادة هذا العدد.  (أ) حالة الانشطار الكيسي، (ب) حالة تعرية الطبقة المحيطية، (ج) حالة الانشطار الكارثي.

الشكل (7) (أ) رذاذ ضمن مخروط مفرغ ناجم عن مرذ بالضغط-النابذي الدوامي،

(ب) تحول الرذاذ إلى مخروط ممتلئ بفعل تأثير التداخلات مع المحيط

الإرذاذ  atomizationهو تحويل كتلة سائلة إلى قطيرات droplets أو رذاذ، يراوح أنصاف أقطارها بين أجزاء من المليمتر وبضعة مكرونات، مشتتة ضمن وسط غازي أو خلاء. تعتمد هذه العملية على إحداث اضطرابات حركية على سطح الكتلة السائلة يتم تضخيمها بتوفير الطاقة الحركية والقوة الدافعة اللازمتين لتحقيق تيار السائل أو تيار الغاز المحيط بالسائل أو كليهما. وتعرف هذه العملية أيضاً بالبخ spraying.

يمكن الحصول على رذاذ بدءاً من البخار عند تبرده، كما يحدث أحياناً في ظروف طقس مناسبة، فيتكون الرذاذ بدلاً من المطر.

يحسّن الإرذاذ الكثير من وظائف أنظمة متعددة وتجهيزات مختلفة  مثل:

- أنظمة الاحتراق في المحركات التوربينية الغازية ومحركات الاحتراق الداخلي، وحراقات التدفئة، والأفران، والمحركات الصاروخية.

أنظمة ترذيذ المبيدات والأسمدة الزراعية.

- أنظمة ترذيذ الدهان والطلاء.

- أنظمة إطفاء الحريق.

- أنظمة التجفيف بالترذيذ المستخدمة في الصناعات الدوائية والغذائية والكيميائية.

فعلى سبيل المثال، يتم التركيز على استحصال حجم أصغري لقطرات الرذاذ في تطوير محركات الاحتراق الداخلي لتسهيل الاحتراق وجعله كاملاً، في حين تهدف أنظمة الترذيذ في المجال الزراعي إلى تشكيل قطرات بحجم أعظمي. أما أنظمة الترذيذ الطبية والطلاء والتجفيف؛ فتهتم بتشكيل رذاذ متجانس القطرات، كما يكون الهدف في مجال الطلاء الحصول على محتوى عالٍ من السائل يسمح بتغطية كاملة وسريعة للسطح المستهدف مع مراعاة التجانس.

تبدأ عملية تشكل الرذاذ داخل المرذ atomizer  نفسه، فهناك تتحدد حالة جريان السائل بشكلها الرقائقي laminar أو الاضطرابي turbulent  أو الدوامي حيث يحفز الجريان الهائج توليد قطيرات؛ نظراً لكون هذا الجريان أقدر على توليد التشتت اللازم للوسط السائل، وتؤثر هندسة المرذّ في تكوّن الرذاذ. والمرذات أنواع؛ تُسمى وفقاً للآلية التي تستخدمها لتشكيل الرذاذ، وتصنف ضمن فئتين عامتين: الأولى تعتمد على  مرور مائع وحيد single fluid  ضمن المرذّ، والثانية تعتمد على مرور مائعين.

مرذات المائع الوحيد

هي أبسط المرذات وأكثرها انتشاراً. تعتمد هذه المرذات على تحويل ضغط مطبق على السائل المراد ترذيذه إلى سرعة، ويكون لشكل منفث المرذ الدور الأكبر في تحديد فعالية الإرذاذ، كما يؤثر ذلك في حجم القطرات السائلة وسرعتها وشكل انتشارها.

إن مرذ الضغط المباشر المبين بالشكل (1) يؤدي إلى تشكل الرذاذ ضمن مخروط ضيق الزاوية، لذلك كان الانتقال إلى المرذات بالضغط الدوَّامي pressure-swirl  المبينة بالشكل (2)، أوالمرذات بالصدم النافوري  impinging-jet  والتي يمكن أن تأخذ شكلاً حلزونياً كما هو مبين بالشكل (3)، أو المرذات الرحويّة rotary والتي تسمح بالحصول على خيارات أوسع من حيث مزج الرذاذ مع الوسط المحيط.

يصبح هذا النوع الأخير من المرذات ضعيف الأداء (غير قادر على ترذيذ السائل) مع ارتفاع لزوجة السائل، فعلى سبيل المثال، لا يُمكن استعمال المرذات بالضغط الدوًّامي من أجل لزوجة أعلى من 0.1 باسكال/ثانية (0.1 Pa.s)

مرذات المائع المزدوج

تعتمد هذه المرذات (البخاخات) على مزج مائع غازي محمّل بطاقة حركية عالية مع السائل لإحداث الإرذاذ، يستخدم الهواء المضغوط غالباً، لذلك تُطلِق بعض المراجع اسم مرذات الهواء Pneumatic على هذا النوع من المرذات، كما يمكن أيضاً استخدام البخار أو غازات أخرى وفقاً للتطبيق.

تُصنف التصميمات العديدة للمرذات مزدوجة الموائع ضمن مجموعتين أساسيتين: هما مرذات المزج الداخلي المبينة في الشكل (4) أو مرذات المزج الخارجي المبينة في الشكل (5) وفقاً لموضع نقطة المزج بين الغاز والسائل بالنسبة إلى منفث المرذ. تسمح مرذات المزج الداخلي بتوفير رذاذ سريع نسبياً، وتستخدم كمية أقل من الغاز مقارنة بمرذات المزج الخارجي كما تُعدّ أكثر ملاءمة للسوائل المرتفعة اللزوجة. يساعد الرأس المؤنف عموماً في المرذات على تطبيق ضغوط عالية نسبياً؛ مما يؤدي إلى سرعة عالية للمائع، وبالتالي يحسن عملية الإرذاذ.

ويمكن التمييز بين آليتين أساسيتين للإرذاذ، هما الإرذاذ الابتدائي   primary atomization  والإرذاذ الثانوي  secondary atomization.

- الإرذاذ الابتدائي هو الذي يحكم تشتت السائل breakup؛  فإما أن يكون صفيحياً sheet  وإما نفاثاً jet نتيجة حدوث الاضطراب الميكانيكي ضمنه. تتعلق هذه الظاهرة بالشروط العملياتية؛ وبالمواصفات الفيزيائية للسائل، خصوصاً اللزوجة والتوتر السطحي؛ وبأبعاد المرذ.

فالشروط العملياتية تحدد السرعة النسبية بين السائل قيد الترذيذ وأي غاز محيط به، ومن الثابت أنه كلما كان فارق السرعة بين السائل والغاز كبيراً؛ كانت القطرات الناجمة عن هذا الانشطار صغيرة.

تعدّ اللزوجة الديناميكية dynamic viscosity  للسائل أكثر مواصفة فيزيائية تأثيراً في تشكل الرذاذ، فزيادة اللزوجة تؤدي إلى زيادة أبعاد القطرات المتشكلة؛ نظراً لكون اللزوجة تعاكس تأثير الاضطرابات الميكانيكية التي يولدها المرذ، من أجل سوائل ذات لزوجة أعلى من  0,1باسكال/ثا يجب استخدام مرذات تولد ضغوطاً ميكانيكية عالية كافية لتوفير التشتت اللازم للسائل. أما من أجل حالة السوائل اللانيوتونية non-Newtonian  التي تتغير لزوجتها بتغير فرق الضغط المطبق عليها -مثل الطلاء والدهانات إضافة إلى بعض المواد الصيدلانية- فتصبح المرذات وحيدة الموائع single fluid atomizers غير قادرة على توليد الرذاذ ولا بد من استخدام تيار غازي مساعد على الإرذاذ. أما التوتر السطحي فهو الخاصية التي تحاول تصغير السطح ما أمكن مع الحفاظ على فرق الضغط المطلوب، فيميل إلى جعل القطيرة كروية لتحقيق ذلك.

يحدث الإرذاذ الثانوي في حال كانت السرعة النسبية للقطيرة السائلة   (Vrel)  المتشكلة سابقاً أكبر من سرعة الوسط الغازي المحيط بها؛ مما يجعلها قابلة للانقسام إلى قطيرات جديدة أصغر. تُقاس قابلية حدوث هذا الإرذاذ بوساطة عدد لابعدي هو عدد ويبر Weber الذي يُعطى بالمعادلة التالية (1):

 

 

حيث: : كتلة واحدة الحجوم للغاز المحيط، Vrel: السرعة النسبية للقطيرة، d: قطر القطيرة السائلة، σ : التوتر السطحي للسائل.

يصبح الإرذاذ الثانوي ممكناً في حال كانت قيمة عدد ويبر أعلى من القيمة 12، ومع ازدياد هذه القيمة تختلف آلية انقسام القطيرة السائلة: حيث تمر أولاً بحالة الانشطار الكيسي bag mode، ثم تنتقل إلى حالة تعرية الطبقة المحيطية boundary-layer stripping، ثم تنتقل إلى حالة الانشطار “الكارثي catastrophic mode، ويوضح الشكل (6) الفرق بين الآليات الثلاث.

يُحدد حركة قطيرات الرذاذ القوى الفيزيائية المؤثرة فيها، وتُعدّ قوة المقاومة الديناميكية الهوائية aerodynamic drag force أكثر أهمية، وتُعطى بالمعادلة (2) التالية:

 

 

حيث هو معامل المقاومة، وهو يتعلق بعدد رينولد للقطرة  Reynold’s number الذي يعطي نسبة الطاقة العطالية الحركية إلى طاقة اللزوجة.

يُلاحظ أن هذه القوة تتعلق بمربع القطر، ومن المعروف أن كتلة القطيرة تتعلق بمكعب قطرها، وبالتالي فإن القطيرات الكبرى تحافظ على سرعتها النسبية أكثر من القطيرات الصغيرة. ويُضاف إلى القوى الواجب دراستها لتحديد حركة الرذاذ قوة الثقالة gravity  في حال السرعات البطيئة للرذاذ؛ ولاسيما من أجل تحديد مجال انقطاع القطيرات لتكوين الرذاذ drop-out ضمن أنظمة الترذيذ. كذلك تتدخل قوى الكهرباء الساكنة، سواء كانت ذات مصدر خارجي أم ناجمة عن الشحنات المتولدة ذاتياً ضمن القطيرات السائلة في العديد من تطبيقات الترذيذ؛ ولاسيما أنظمة طلاء السيارات.

يمكن أن تخضع القطيرات السائلة الناجمة عن الإرذاذ الأولي أو الإرذاذ الثانوي إلى تحولات إضافية غير ميكانيكية مثل التبخر evaporation أو التصادم collision أو الاندماج coalescence، وهي عمليات تؤدي إلى تغير حجم قطيرات الرذاذ. ويُسيطر على التبخر عمليات انتقال الطاقة بين القطيرة السائلة والغاز المحيط بها، وقد يكون للمراحل الانتقالية أو المستقرة الأهمية نفسها في التبخر؛ وبالتالي تناقص حجم القطرات. كما يمكن لقطيرات الرذاذ أن تندمج في حالة وجود كثافة عالية للقطيرات أو في حالة تفاوت كبير في سرعة القطيرات، وهي حالات يمكن أن تتوفر عند منفث nozzle المرذ قبل انتشار الرذاذ أو عند ارتطام القطرات السائلة بالسطح الهدف، وهي حالة محققة في أنظمة الطلاء.

توجد نماذج رياضية يمكن أن تتنبأ باحتمال تصادم قطرتي رذاذ إحداهما مع الأخرى، إلاَّ أن هذا التصادم قد لا يؤدي إلى اندماجهما؛ إذ يجب أن تتوفر طاقة حركية كافية للتغلب على التوتر السطحي لدى الصدم.

يزداد تأثير المحيط بالرذاذ كلما ابتعد عن مخرج المرذ، حيث يعمل الجو المحيط على خفض زاوية مخروط الرذاذ، ويؤثر في حجم القطيرات وسرعتها الحدية، فتؤدي هذه التداخلات إلى تعديل توزع سرع القطيرات و خفض اختراق هذه القطيرات للجو المحيط، وهي نواحٍ مهمّة جداً ضمن إطار عمل محركات الديزل والمحركات التوربينية.

كما تؤثر هذه التداخلات في شكل توزع الرذاذ ضمن الجو، فيمكن تحويل الرذاذ المتوزع على شكل مخروط مفرغ ناجم عن مرذ بالضغط-النابذي الدوامي؛ إلى رذاذ مخروطي ممتلئ وفقاً للشكل (7).

تختلف الشروط العملياتية والفيزيائية المذكورة بجوار كل قطيرة، وبالتالي يتوقع أن تختلف حجوم القطيرات بعضها عن بعض، وكذلك أعداد كلٍّ منها، أي توزعها العددي على الحجوم المختلفة؛  ويؤثر هذا التوزع  بدوره في مردود الترذيذ وتلبيته للوظيفة المطلوبة منه، لذلك طوّرت تقنيات قياس حجوم القطيرات وأعدادها، فاستُخدِم التصوير الرقمي السريع short time digital photography  لتحديد حجوم الرذاذ، وسمحت الصور المجسمة ثلاثية الأبعاد holographic figure بتقييم التوزع الفضائي للرذاذ. كما استعملت طريقة الانعراج الليزري laser diffraction، فسمحت بقياس دقيق ومباشر للتوزع البعدي لقطرات الرذاذ من أجل أقطار تقع في المجال (500-0.5 ميكرومتر). وتم حديثاً استثمار تقانة قياس السرعة بليزر دوبلرLaser-Doppler Anemometry من أجل القياس المتزامن لتوزع سرعة قطرات الرذاذ و أبعادها.

مراجع للاستزادة:

   - L. Bayvel and Z. Orzechowski, Liquid Atomization, Taylor and Francis, New  York, 1993.

-             C.W., Lipp, Sprays, Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 5th Ed. 2005.

-             McGraw-Hill Encyclopedia of Science & Technology; Vol. 2; 10th Edition; McGraw-Hill-2007.

-             Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry; Vol. B2; 5th Edition; VCH-Publishers-1989.

-             Nasr, Yule and Bending, “Industrial Sprays and Atomization”, Springer, 2002.

 


التصنيف : التقانات الصناعية
النوع : التقانات الصناعية
المجلد: المجلد الأول
رقم الصفحة ضمن المجلد : 507
مشاركة :

اترك تعليقك



آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

هل تعلم ؟؟

عدد الزوار حاليا : 1031
الكل : 43823589
اليوم : 106984