Дюзи за индустриални приложения

• Индустриалните дюзи се срещат в почти всеки сектор на производството, преработвателната промишленост и енергетиката
  
  
• Те се класифицират според вида на флуида, с който работят, според формата на струята, която образуват, и според диапазона на налягане, при който функционират
  
  
• Ефективността на дюзите се изменя с времето, тъй като геометрията на отвора се променя в резултат на увреждане на повърхността, отлагания или корозия

В най-общ план дюзата представлява профилиран канал, през който се насочва и регулира поток от флуид – течност, газ, пара или смес от тях. Геометрията на този канал определя какво се случва с флуида при преминаването му през него – скоростта му се променя, налягането му се променя, а формата му в точката на изхода може да варира значително в зависимост от изискванията на конкретното приложение.

Индустриалните дюзи се срещат в почти всеки сектор на производството, преработвателната промишленост и енергетиката. Системи за разпръскване в линии за преработка на храни, горивни камери в пещи, химични реактори, охладителни кули, системи за повърхностна обработка, противопожарни инсталации, оборудване за потискане на прахови емисии, пневматични транспортни системи и др. – всички те са базирани на дюзи.

Видове индустриални дюзи

Промишлените дюзи се класифицират по няколко критерия – според вида на флуида, с който работят, според формата на струята, която образуват, според механизма, осигуряващ пулверизацията или изпускането, и според диапазона на налягане, при който функционират. Тези категории не се изключват взаимно и дадена дюза може да попада едновременно в няколко от тях.

При дюзите с плътна конусна струя течността се изпуска по цялото кръгово напречно сечение на изхода, осигурявайки равномерно разпределение върху кръгла площ.

Те се използват широко в приложения за охлаждане, измиване, гасене и химична обработка, където е важно пълното покритие на съответната повърхнина или обем.

Дюзите с куха конусна струя изпускат течност само по периферията на конуса. Получава се пръстеновидно разпръскване, което осигурява отличен контакт между въздуха и течността благодарение на турбулентността, генерирана по краищата на конуса. Това прави дюзите с куха конусна струя особено ефективни за операции по пречистване и охлаждане на газове и приложения, свързани с абсорбцията на химикали.

При дюзите с плоска струя изпусканата течност се разпръсква в една равнина. Тези дюзи се използват широко при нанасяне на повърхностни покрития, пръскане в селското стопанство, почистване и др., където се изисква равномерно разпръскване по линейна траектория. Плоската струя дава възможност за припокриване, когато няколко дюзи са монтирани една до друга в редица, което е често срещана конфигурация в индустриални приложения.

Формата на изходния отвор на дюзите с плътна струя е такава, че позволява образуването на еднородна струя с голям импулс и минимално разпадане при изминаване на разстояние. Тези дюзи се използват при почистване, както и в противопожарни системи.

При пулверизиращите дюзи се използва сгъстен въздух, за да се разбие струята на фини капчици. Взаимодействието между въздуха и течността в или близо до изходния отвор създава капчици с много малки размери – често с диаметър от порядъка на десетки микрони, които са полезни, когато се изисква покритие с фина мъгла, бързо изпарение или изгаряне. Тези дюзи работят при относително ниско налягане на течността и са често срещани в системи за изгаряне, овлажняване и приложения за нанасяне на фини покрития.

Двойните дюзи представляват по-широка категория, която обхваща всяка дюза, използваща вторичен флуид – не непременно въздух, за подпомагане на разпръскването на основния флуид. Дюзите за пулверизация с пара например използват пара за разпръскването на тежки горива в промишлени горелки.

Взаимодействието между двата потока флуид предоставя енергия за пулверизация, която иначе би трябвало да се осигури единствено от високото налягане на течността.

Дюзите за почистване на резервоари, понякога наричани ротационни или миещи глави, са проектирани да осигуряват силни струи, които се въртят в пространството, за да почистват вътрешните повърхности на резервоари и други съдове. При някои въртенето се получава изцяло вследствие на налягането на течността, а при други се използват хидравлични мотори. Моделите на покритие, скоростта на въртене и силата на струята са критично важните параметри при проектирането на тези устройства.

Материали и издръжливост в промишлени условия

Средата, в която функционира дюзата, определя материала, от който трябва да бъде изработена. Промишлените процеси често включват флуиди, които са корозивни, абразивни, с висока температура или комбинация от трите. Отворът на дюзата трябва да запазва геометрията си във времето, тъй като всяко увреждане на повърхността или отлагане в него директно променя формата на разпръскване, дебита и силата на струята.

Неръждаемата стомана е най-често използваният материал за промишлени дюзи за общо приложение. Тя предлага добра устойчивост на корозия спрямо широк спектър от химикали, адекватна температурна устойчивост и достатъчна твърдост, за да издържи умерено абразивно въздействие. Различните видове неръждаема стомана предлагат различно съотношение на съдържанието на хром и никел, което влияе върху устойчивостта към конкретни химикали – киселини, хлориди и алкални разтвори.

За приложения с висока абразивност – разпръскване на суспензии, обработка на летяща пепел и преработка на минерали, са необходими по-твърди материали. В такива случаи за отворите на дюзите се използва волфрамов карбид, който е изключително твърд и устойчив на износване, макар че е и крехък и изисква внимание при манипулиране. Силициев и борен карбид също се използват в подобни тежки условия, особено когато комбинацията от абразивно износване и химично въздействие би довела до бързо разрушаване на стоманените компоненти.

Термопластичните и термореактивните пластмаси намират широко приложение в химическата индустрия, където устойчивостта на корозия е от първостепенно значение.

Поливинилиденфлуоридът, политетрафлуороетиленът и свързаните с тях материали предлагат изключителна устойчивост на агресивни химикали, включително силни киселини, халогени и окислители. Техните ограничения са термични – пластмасовите дюзи са неподходящи за работа при високи температури, и механични, тъй като са по-меки от металите и по-уязвими към износване вследствие на контакт с твърди частици.

Керамичните дюзи съчетават добра устойчивост на абразивно износване с отлична устойчивост на корозия и способност да издържат на високи температури.

Керамиката от алуминиев оксид се използва често при разпръсквателно сушене, характеризиращо се с комбинация от фин прах, високи температури и необходимост от постоянна геометрия на отвора. Подобно на твърдосплавните материали, керамиката е крехка и чувствителна към термичен шок, което ограничава употребата й в приложения, при които се наблюдават бързи температурни колебания.

Титановите сплави се използват в приложения, изискващи както устойчивост на корозия, така и механична якост при температури, които биха компрометирали пластмасите. Стандартната неръждаема стомана не е подходяща за средите с висока концентрация на хлориди, поради което титановите дюзи се предпочитат за морски приложения и производство на химикали.

Финишът на вътрешната повърхност на дюзата оказва влияние както върху характеристиките на потока, така и върху склонността към образуване на отлагания.

Гладките вътрешни повърхности намаляват граничните ефекти, предизвикващи турбулентност, и са по-малко податливи на натрупване на отлагания. В хранително-вкусовата и фармацевтичната промишленост повърхностната обработка има и хигиенно измерение – грапавите повърхности могат да служат като място за размножаване на микроорганизми.

Избор на подходяща дюза

Изборът на подходяща дюза за дадено промишлено приложение изисква систематично отчитане на няколко фактора – свойствата на флуида или флуидите, с които се работи; изискваната форма на разпръскване и размера на капките, наличния дебит и работно налягане, условията на околната среда в мястото на разположение на дюзата, както и приемливата тежест на поддръжката.

Свойствата на флуида са отправната точка. Вискозитетът влияе както върху налягането, необходимо за постигане на даден дебит, така и върху размера на капките, създавани при даден дизайн на дюзата. Течностите с висок вискозитет изискват по-високи налягания за постигане на равностойно качество на пулверизация в сравнение с течностите с нисък вискозитет. Плътността на течността влияе върху връзката между налягането и дебита. Повърхностното напрежение оказва въздействие върху образуването и разпадането на капките. Суспендираните твърди частици влияят върху степента на увреждане на повърхността и склонността към замърсяване, което налага използването на дюзи с подходящи размери на отвора и вътрешна геометрия, за да се избегнат запушвания.

Техническите изисквания определят какво трябва да постигне струята. Покритието на повърхността, силата на струята, охлаждането чрез изпаряване, скоростта на топлопредаване, масопреносът при химични реакции и качеството на горенето са различни цели, които обуславят прилагането на различни типове дюзи и работни условия. В някои случаи тези цели съвпадат, например при охлаждане може да се изисква и добро покритие на повърхността, а в други случаи те са в противоречие.

Силата на струята и финото разпръскване например са противоположни – фините капчици имат голяма повърхнина, но нисък импулс, докато по-грубите струи с висока скорост имат голям импулс, но ограничена повърхнина.

Работното налягане и дебитът определят практическите граници на това, което може да се постигне. Ако налягането в системата е ограничено от наличния капацитет на помпата, изборът на дюзи трябва да се съобрази с това ограничение. Ако необходимият дебит е фиксиран от изискванията на процеса, размерът на отвора на дюзата трябва да бъде подходящ, за да се осигури този дебит при съществуващото налягане. Тези ограничения понякога налагат използването на групи от свързани паралелно или последователно дюзи вместо на единични големи дюзи. Дизайнът на системата трябва да гарантира, че всяка дюза в групата получава предвидения си дял от общия дебит.

Механичните и химичните условия в мястото на разположение на дюзата определят избора на конструкционен материал. Температурните ограничения, химичната съвместимост с флуида и околната атмосфера, вибрациите и механичното натоварване, както и достъпността за поддръжка – всички тези фактори влияят върху това какви материали и конструкции биха били подходящи. Дюза, която е технически добре съобразена с изискванията за разпръскване, но е изработена от материал, който корозира бързо при експлоатация, или която е разположена на място, където подмяната й би наложила разглобяване на околното оборудване, на практика няма да е подходяща, независимо от номиналните й параметри.

Поддръжка, износване и ефективност

Ефективността на дюзите се изменя с времето, тъй като геометрията на отвора се променя в резултат на увреждане на повърхността, отлагания или корозия.

Проследяването на състоянието на дюзите и подмяната им на подходящи интервали е от съществено значение за поддържане на ефективността на процеса.

Ерозията на повърхността е най-често срещаната форма на износване при дюзи, работещи с течности, съдържащи твърди частици, или при потоци с висока скорост.

Дори в на пръв поглед чисти течности частиците, съдържащи се в малки концентрации, могат с течение на времето да предизвикат значителна ерозия на повърхността, особено по краищата на отвора, където скоростта на потока е най-висока. Това води до разширяване на отвора, увеличаване на дебита при дадено налягане и промяна на формата на струята. Редовното измерване на дебита при референтно налягане е практичен индикатор за състоянието на отвора на дюзата.

Отлагането на материали върху вътрешните повърхности на дюзите води до обратното. Минерални отлагания в резултат на използване на вода с висока твърдост, кристализирали химикали, биологични отлагания и полимеризирали органични съединения могат да се акумулират във вътрешността на дюзите, частично запушвайки отворите и променяйки формата на струята. Замърсяването е особено проблемно в системи, които работят периодично, тъй като отлаганията се натрупват по време на периодите на престой, когато няма поток. За приложения, при които замърсяването е постоянен проблем, се предлагат самопочистващи се дюзи, които включват механични почистващи щифтове или са проектирани да измиват отлаганията по време на пускане в експлоатация.

Интервалите за подмяна на дюзите зависят до голяма степен от експлоатационните условия. Дюза, използвана при работа с чиста вода, може да прослужи години наред без забележимо влошаване на характеристиките. Същата дюза, използвана при работа с абразивна суспензия, може да се наложи да бъде подменена след няколко дни или седмици. За да се определят подходящи интервали за подмяна, е необходимо или редовно измерване на характеристиките на дюзата, или спазване на стриктен график, изготвен въз основа на опита с подобни приложения.

Процедурите по почистване трябва да са съвместими с материалите, от които е изработена дюзата. Механичното почистване с телени четки или шила не трябва да се прилага при прецизни отвори, тъй като тези инструменти могат да надраскат или разширят отвора и да променят характеристиките на потока. Обикновено се предпочита химично почистване с подходящи разтворители, ултразвуково почистване и накисване с оглед разтваряне на котления камък. Всяка процедура по почистване трябва да бъде последвана от функционално тестване, преди дюзата да бъде върната в експлоатация.

Специализирани приложения и нови области на употреба

Технологията на промишлените дюзи продължава да се усъвършенства в отговор на новите изисквания към производствените процеси и по-строгите очаквания за експлоатационни характеристики. В няколко области се наблюдава активно развитие в разработката на дюзи.

При системите за пожарогасене се отбелязва значително развитие на технологията за водна мъгла. Конвенционалните спринклерни пожарогасителни системи създават относително едри капчици вода, които гасят пожара предимно чрез охлаждане и навлажняване на горимите материали. При системите с водна мъгла се използват дюзи с високо налягане, които генерират много фини капчици – обикновено с диаметър под 200 микрона. Те се изпаряват бързо вследствие на отделяната от пожара топлина, генерирайки пара, която измества кислорода и едновременно с това поглъща топлинната енергия. Тези системи изискват по-малко вода от конвенционалните спринклери, причиняват по-малко щети и са ефективни в среди, където традиционните решения не могат да се приложат.

Системите за селективна каталитична редукция, предназначени за контрол на емисиите на азотни оксиди от горивни източници, използват дюзи за впръскване на урея в горещите отработени газове. Реагентът се разлага, като образува амоняк, който реагира с азотните оксиди върху катализатор до получаването на безвредни азот и вода. Ефективността на системата за каталитична редукция зависи в голяма степен от равномерността на разпределението на реагента по напречното сечение на изпускащото устройство, което изисква внимателно проектирани масиви от дюзи с контролирани характеристики на разпръскване, съобразени с геометрията на устройството и условията на газовия поток.

Други нови области на приложение, в които се наблюдава бурно развитие при дюзите, са нанасянето на покрития, водоструйното рязане и адитивното производство, където необходимата прецизност по отношение на размера на капките, точността на позициониране и последователността далеч надхвърлят това, което е нужно за повечето промишлени приложения.