Bubble generation in effervescent atomization

Abstract

Atomização efervescente é um método de atomização que recorre à utilização de um gás, injetado internamente em forma bolhas, que serve para auxiliar no processo de atomização. O objetivo de um método de atomização é controlar o tamanho de gotas geradas com o mínimo custo de energia possível. De acordo com a literatura, mais de 90\% da energia total necessária está relacionada com a pressurização e injeção do gás no líquido em escoamento, de forma a obter a mistura bifásica desejada. Portanto, nesta dissertação será estudada a hipótese de minimizar a energia que correspondente à pressurização e injeção do gás, que poderá melhorar substancialmente a eficiência de atomização.É apresentado um estudo experimental e teórico sobre uma nova abordagem de geração de bolhas em atomização efervescente. A ideia principal é estudar a possibilidade de substituir a forma de introduzir o gás no líquido, através de um processo de ebulição nucleada local para produzir bolhas de forma controlada no interior do injetor.Este trabalho representa apenas os primeiro passo para avaliar esta hipótese. A experiência realizada têm como objetivo estudar os mecanismos fundamentais envolvidos na geração de bolhas através de ebulição nucleada local com a utilização de um fio fino, e comparar a morfologia de bolhas geradas com a literatura sobre atomização efervescente. A instalação criada e construída permite a visualização e captura, através de uma câmera de alta velocidade, deste processo.Os vários fenómenos relacionados com o comportamento de bolhas em ebulição nucleada local encontrados na literatura foram observados durante os ensaios.Uma análise escalar foi feita para testar a aplicabilidade desta abordagem em atomização efervescente, levando em consideração as principais forças que atuam nas bolhas. A força de arrasto exercida pelo líquido em escoamento, num processo de atomização, que levará à libertação da bolha, e a força da tensão superficial entre a bolha|fio, que se opõe à sua libertação, mostra que para velocidades de escoamento do líquido relativamente baixas esta abordagem poderá ser viável.Estas experiências foram feitas sem escoamento. Futuramente, será necessário testar esta hipótese com o líquido em movimento. Água destilada foi o líquido usado neste estudo.

Effervescent atomization is a method of twin-fluid atomization which relies on the introduction of bubbles internally to aid in the overall process of producing a spray.The purpose of a method of atomization is to control the droplet size with the least energy input cost possible. According to the available literature, more than 90\% of the total input energy is related to the pressurization and introduction of gas required to produce the desirable two-phase mixture. Therefore, in this dissertation it is studied the hypothesis of minimizing this component of energy, which would greatly improve atomization efficiency.An experimental and theoretical study is presented on a new approach of generating bubbles in effervescent atomization. The main idea is to replace the mechanical aerator used to inject gas bubbles with local thermal-induced nucleate boiling to achieve a controlled bubbly flow generation.This work represents only the first step to evaluate this hypothesis. The experiments conducted were mainly to study the fundamental mechanisms involved in the generation of bubbles through local nucleate boiling, on a thin wire, and compare the bubble generation morphology with the bubble characteristics in effervescent atomization. The experimental apparatus was created with an optical access window to visualize and capture, via high-speed camera, the process.Several bubble phenomenons where observed which were also found in the literature.A scalar analysis was made to test the applicability of this approach in effervescent atomization, taking into consideration the main forces acting on bubbles. The drag force exerted by the flowing liquid when used in atomization, which will promote bubble departure, and the surface tension force between bubble and wire, which will oppose to its departure, shows that for lower liquid flow rates this approach might possibly be viable.These experiments were conducted with stagnated liquid (SL). In the future, continued work is necessary to test this different approach with (FL). Distilled water was used as the liquid.