Do czego służą dysze mgłowe?

Woda jest uznawana za najważniejszą substancję niezbędną do powstania i podtrzymywania życia, ale także za jedno z najistotniejszych i bardziej uniwersalnych mediów przydatnych w różnych zastosowaniach przemysłowych. Najczęściej używa się jej jako rozpuszczalnika, a zatem nośnika innych substancji. Za jej pomocą można łatwo regulować stężenie rozmaitych preparatów, a także wywoływać lub podtrzymywać rozmaite reakcje chemiczne.

Wody używa się nie tylko jako głównego składnika we wszelkiego rodzaju procesach technologicznych, ale także jako cieczy pomocniczej, umożliwiającej efektywne chłodzenie oraz będącej skutecznym czyściwem. Z wody korzysta się w różnych stanach skupienia – zwykle w postaci cieczy – w takim przypadku najczęściej ma ona odbierać energię cieplną, transportować inne składniki czy rozcieńczać różne substancje, ale również jako pary wodnej. Woda w stanie gazowym to zwykle sposób na magazynowanie energii kinetycznej lub cieplnej, a także aktywne czyszczenie. Wśród zastosowań wody istnieją również takie, które wykorzystują możliwość wytworzenia aerozolu wodnego, który składa się z niewielkich cząsteczek zawieszonych w powietrzu, wytwarzanych zwykle za pomocą dysz mgłowych, pozwalających na rozbicie strugi wody na bardzo małe krople. Przekonajmy się, czym jest mgła wodna, zobaczmy, w jaki sposób można ją wykorzystywać i sprawdźmy, jak dysze mgłowe powodują jej wytworzenie.

Czym jest mgła wodna?

Mgła wodna to rodzaj aerozolu, czyli cząsteczek substancji – w tym przypadku cieczy – o niedużych rozmiarach, których masa i wielkość jest na tyle mała, że ich prędkość opadania jest niewielka, w związku z czym przez pewien czas są w stanie pozostawać w zawieszeniu. Aerozole tworzą się zarówno z cieczy, jak i drobin ciał stałych – dobrym przykładem są tu powstające w procesach spalania dymy, w których znajdują się drobinki pyłów zawieszonych o małej średnicy. Im mniejsze będą cząsteczki tworzące aerozol, tym dłużej będzie mógł się on utrzymywać w powietrzu. Cząsteczki o wielkości przekraczającej 10 μm opadają dość szybko, natomiast te o rozmiarach poniżej 1 μm będą utrzymywały się w powietrzu znacznie dłużej. Poza wielkością drobin ważna będzie także gęstość substancji tworzącej aerozol – jeśli jest ona mniejsza, to cząsteczki o tej samej wielkości utrzymają się w powietrzu dłużej.

Wiele aerozoli powstaje w sposób naturalny. Najlepszym przykładem jest tu samo powietrze, w którym na ogół znajduje się pewna ilość cząsteczek wody, nadając mu określoną wilgotność. Większość cząsteczek wody znajduje się w nim dzięki jej parowaniu z powierzchni ziemi i następującemu później skraplaniu. Rodzaje aerozolu wodnego o znacznej zawartości wody są także powstające w atmosferze mgły lub chmury. W wielu przypadkach gromadzą one nie tylko wodę w stanie ciekłym, jako rozproszone krople niewielkich rozmiarów, ale także w stanie stałym tj. kryształków lodu. Typowym aerozolem będzie też woda rozpylana mechanicznie w szybko płynącym górskim strumieniu czy wodospadzie. Aerozole wodne są również tworzone sztucznie w różnych celach – np. w znanych wszystkim fontannach, ale w pewnym zakresie także w domowych prysznicach lub kranach z perlatorami, mogą jednak powstawać przypadkowo choćby podczas wycieków.

Mgły wodne są często wykorzystywane w systemach gaśniczych. Zwykle są to urządzenia podobne do instalacji tryskaczowych, w przeciwieństwie do nich rozbijają jednak wodę na krople o zdecydowanie mniejszych rozmiarach. Daje to możliwość efektywnego zmniejszania temperatury, także w przypadku płonących gazów, skutecznego zwilżania płonących cieczy, przyczynia się do częściowego wypierania tlenu z pomieszczenia objętego ogniem oraz szybkiego zmniejszania temperatury powietrza, a także powierzchni różnych substancji. Zaletą korzystania z mgły wodnej do gaszenia jest również możliwość rozprzestrzeniania jej po obiektach o znacznej kubaturze. Ze względu na niewielkie rozmiary tworzonych kropel i ich dość szybkie odparowywanie mgła wodna nie powoduje tak dużych zniszczeń, jak woda pochodząca z tryskaczy przeciwpożarowych czy strumieni tworzonych przez prądownice znajdujące się na zakończeniach węży strażackich służących do tradycyjnego podawania wody.

Możliwości przemysłowego wykorzystania mgły wodnej są jednak znacznie szersze i obejmują m.in. efektywne nawilżanie powietrza, jego odpylanie, chłodzenie, a także redukcję uciążliwych zapachów.

Zastosowania przemysłowe mgły wodnej

Jednym z najczęściej wykorzystywanych sposobów użycia mgły wodnej jest zastosowanie jej do odpylania podczas przeprowadzania różnych procesów technologicznych. Odpylanie z użyciem mgły wodnej sprawdza się dobrze podczas obróbki drewna, obsługi szczególnie pylących substancji, np. bardzo drobnych kruszyw, obróbce materiałów budowlanych, kamienia naturalnego, metalu, papieru i kartonu. Instalacje odpylające wykorzystujące mgłę wodną zakłada się często w kopalniach, gdzie powstające pyły mogą dodatkowo stwarzać zagrożenie wybuchem, w stolarniach, tartakach i drukarniach. Pozwala to na ograniczenie niebezpieczeństwa wybuchu lub pożaru, zapewnienie odpowiednich warunków pracy, a także przedłużenie żywotności używanych maszyn i urządzeń oraz materiałów eksploatacyjnych np. uszczelnień, smarów albo filtrów.

Pozbywanie się zanieczyszczeń w wyniku zastosowania w pomieszczeniu mgły wodnej może przynosić dobre efekty za sprawą połączenia kilku różnych mechanizmów. Będzie to  przede wszystkim wiązanie cząsteczek pyłów przez łączenie ich z cząsteczkami wody, co zwiększa ich masę i powoduje opadanie. Jednocześnie ze względu na niewielkie rozmiary poszczególnych kropli woda dość szybko odparowuje, dzięki czemu nie zwilża nadmiernie powierzchni podłóg, blatów i używanych materiałów. Wiązane pyłów z wodą następuje w wyniku zderzeń drobin pyłu z kroplami wody – ciało stałe „wbija się” w ciecz tworzącą wokół niego przynajmniej częściową otoczkę za sprawą wysokiej energii kinetycznej wody. Cząsteczki mogą też o siebie zahaczać albo łączyć dyfuzyjnie, gdy woda przywiera do powierzchni wskutek przenikania jej atomów do struktury ciała stałego. Inną możliwością jest przyciąganie elektrostatyczne, zachodzące w wyniku różnicy potencjałów elektrycznych drobin pyłu i wody.

Mgła wodna na bardzo podobnej zasadzie jest wykorzystywana do pozbywania się uciążliwych zapachów – w tym przypadku wyłapywane są jednak zarówno cząsteczki ciał stałych, jak i niektórych gazów. Może być również używana do usuwania ładunków elektrostatycznych gromadzących się w powietrzu. Ważnym zastosowaniem jest podnoszenie wilgotności, co przyczynia się do zmniejszenia zapylenia i obniżenia temperatury ze względu na trudniejszą propagację pyłu w wilgotnym powietrzu oraz szybkie parowanie.

Mgła wodna jest wykorzystywana do chłodzenia pomieszczeń przemysłowych, stanowiąc tańszą i bardziej ekologiczną alternatywę dla tradycyjnych systemów klimatyzacyjnych. Chłodzenie mgłą wodną to chłodzenie adiabatyczne, nazywane również ewaporacyjnym. W tym przypadku ciepło jest odbierane bezpośrednio z powietrza, dzięki szybkiemu parowaniu cząsteczek wody. Ponieważ zmiana stanu skupienia wiąże się z koniecznością dostarczenia sporej ilości energii, pomieszczenie, w którym znajduje się odpowiednia ilość aerozolu wodnego, będzie się stosunkowo szybko wychładzało, za sprawą zachodzących przemian fazowych wody i jej parowania.

Znaczenie odpowiedniego doboru dyszy do rozpylaczy tworzących mgłę wodną

Skuteczność wykorzystywania mgły wodnej we wszystkich najważniejszych zastosowaniach – nie tylko przy gaszeniu pożaru, ale także podczas chłodzenia adiabatycznego oraz odpylania czy nawilżania pomieszczeń jest uzależniona od kilku podstawowych parametrów – głównie wielkości cząsteczek, na jakie rozbijana jest woda oraz energii kinetycznej, jaką uzyskuje. Ma to znaczenie podczas usuwania pyłów, ponieważ mniejsze cząsteczki oznaczają większą ich liczbę, co zwiększa statystyczne szanse na związanie dużo większej ilości pyłu. W tym przypadku łatwiejsze będzie także nadanie cząsteczkom wody odpowiedniego przyspieszenia, co ułatwia rozprzestrzenienie ich na większej powierzchni. Cząsteczki o mniejszych rozmiarach będą wolniej opadały, co z kolei wpływa na możliwość zmniejszenia potrzebnego przepływu, a tym samym ilości zużywanej do odpylania wody. Niewielki cząsteczki wody oznaczają skuteczniejsze chłodzenie, gdyż większa procentowo powierzchnia rozpylonej cieczy będzie miała szanse na szybkie odparowanie.

Możliwość uzyskiwania niewielkich cząsteczek wody jest ściśle uzależniona od rodzaju zastosowanych w systemie chłodzącym lub odpylającym dysz. Istnieje wiele sposobów na skuteczne rozpylanie wody – może ono następować przy wykorzystaniu ciśnienia rozpylanej cieczy, strumienia dodatkowego gazu np. sprężonego powietrza, a także generowanych drgań lub ruchu obrotowego czy wahadłowego wykorzystującego energię kinetyczną. Rozpad kropel na mniejsze może więc zachodzić pod wpływem wielu czynników, często łączone są różne metody, pozwalające na uzyskanie odpowiedniej wielkości kropel. Do najważniejszych parametrów charakteryzujących pracę dyszy należy kąt, pod jakim jest ona w stanie rozsyłać wytwarzane krople, zasięg określający, na jakie odległości od dyszy mogą być dostarczane krople, występujące straty przepływu oraz przede wszystkim wielkość uzyskiwanych cząsteczek. Dla uzyskiwanych wyników znaczenie mają również parametry wykorzystywanej wody: jej lepkość – im jest mniejsza, tym mniejsze krople można uzyskać, gęstość – duża gęstość pozwala na utworzenie mniejszych kropel, napięcie powierzchniowe – jeśli będzie duże, tworzące się krople będą większe.

Istnieje wiele możliwych konstrukcji rozpylaczy oraz ukształtowania ich dysz. Do najpopularniejszych należą konstrukcje strumieniowe i wirowe, pracujące dzięki ciśnieniu wody, co sprawia, że do działania systemu nie są potrzebne elementy zewnętrzne. Dość prostą konstrukcją są rozpylacze strumieniowe uderzeniowe, które są często stosowane w tryskaczach przeciwpożarowych. Rozbijanie kropel jest w nich możliwe w wyniku ich uderzania we wmontowany w urządzenie deflektor. Kształt jego powierzchni pozwala na łatwe ukierunkowywanie kropel, a także na ich rozbijanie, metodą tą ciężko jednak uzyskać krople o bardzo małych rozmiarach bez znacznego zwiększenia ciśnienia przepływu. Problemem jest tu również znaczna utrata energii kinetycznej. Innym rozwiązaniem są dysze ze zderzającymi się strugami. W tym przypadku atomizacja wody następuje dzięki zderzaniu się dwóch strug pod kątem 45 stopni. Możliwości kształtowania strumienia dają też dysze przelotowe, w których za rozpylanie odpowiada zwężenie oraz kształt dyszy. Podobnie działają dysze wielootworowe, choć w tym przypadku strumień jest rozbijany na krople za pomocą kilku otworów, pozwalających na ukierunkowywania cieczy w wybrane obszary oraz uzyskiwanie stosunkowo małych kropel. Podobne rezultaty dają rozpylacze czopikowe, gdzie za zmianę geometrii strugi i efektywne rozbijanie jej na krople odpowiada specjalnie ukształtowany element znajdujący się w centralnym miejscu otworu wylotowego. Wśród klasycznych konstrukcji znajdują się również rozpylacze wachlarzowe, w których strugi cieczy zderzają się ze sobą, po czym opuszczają dyszę przez odpowiednio wyprofilowaną szczelinę. Dobre rozproszenie kropli można też uzyskać, stosując dysze obrotowe. W takim przypadku rozpylanie jest wspomagane przez ruch elementu. Bardzo dobre parametry można osiągnąć, stosując dysze wirowe lub strumieniowo-wirowe. Woda jest w nich wprawiana w ruch obrotowy przez specjalne ukształtowanie wnętrza głowicy. W dyszach strumieniowo-wirowych rozpylenie kropel następuje przez zderzenie się części strugi ukierunkowanej na wprost ze strugą zawirowaną, co pozwala na znakomite rozproszenie cząsteczek i uzyskiwanie ich bardzo małych rozmiarów.