Jet de apă

De obicei, un jet de apă de presiune ultraînaltă este format printr-un orificiu realizat din safir, rubin sau diamant pentru a permite o rezistență mai mare la uzură. Figura 6 prezintă două metode de ținere și etanșare a orificiului. Imaginea din stânga arată un orificiu din rubin sigilat cu un sigiliu din plastic, de obicei realizat din polietilenă UHMW. Imaginea din dreapta arată un orificiu din diamant natural susținut și etanșat prin sinterizarea metalului. Recent, au fost introduse orificii din diamant sintetic. Ele sunt de obicei ținute în suport folosind un inel metalic, mai degrabă decât un sigiliu din plastic.=

Viteza jetului de apă

Viteza jetului Vj (luând în considerare compresibilitatea) și energia sa cinetică E pot fi exprimate folosind ecuația lui Bernoulli în conjuncție cu ecuația 1 pentru compresibilitatea apei. Expresia rezultată (Hashish 2002b) este următoarea:

Puterea E a unui jet de apă care iese dintr-un orificiu cu un diametru dn la presiunea P este pur și simplu presiunea înmulțită cu debitul, care poate fi exprimată după cum urmează (Hashish 2002b):

unde ψ este factorul de compresibilitate al vitezei apei (mai mic decât 1) și este prezentat în Fig. 7, Cc este coeficientul de contracție a jetului și Cv este coeficientul de viteză. Coeficientul global de evacuare al orificiului, Cd, include acești coeficienți.

Fără a lua în considerare compresibilitatea, următoarele sunt relații simple între diferiții parametri hidraulici ai unui jet de apă:

Relația dintre presiunea jetului de apă, debitul, dimensiunea orificiului și putere este prezentată în Fig. 8.

Coerența jetului de apă

O caracteristică importantă a unui jet de apă simplu este coerența acestuia. O coerență mai mare crește densitatea puterii și s-a observat că jeturile coerente sunt mai eficiente în tăiere. De asemenea, jeturile coerente pot opera la distanțe mai mari. Figura 9 prezintă jeturi de apă cu diferite niveluri de coerență. Yanaida (1974) a prezentat ecuații care descriu structura jetului de apă și distribuția vitezei acesteia. Practic, un jet de apă de înaltă presiune constă dintr-un miez inițial coerent de jet de apă urmat de o zonă de jet de picături. Factorii critici care afectează coerența jetului (și densitatea de putere) includ următorii:

• Diametrul și lungimea tubului în amonte: au fost studiate efectele diametrului tubului în amonte, d, și nivelul turbulenței deasupra orificiului. Rezultatele arată că coerența jetului se îmbunătățește atunci când dimensiunea tubului atinge o anumită dimensiune critică. Orice creștere suplimentară a diametrului tubului nu îmbunătățește în continuare coerența. Numărul Reynolds din amonte se corelează bine cu lungimea coerenței jetului (definită ca lungimea la care diametrul jetului este dublat), deoarece fluxul laminar în amonte are ca rezultat jeturi mai coerente. S-a constatat că adăugarea de polimer cu lanț lung în apă îmbunătățește coerența jetului datorită tragerii reducțiilor și suprimării turbulenței în amonte. O lungime în amonte de cel puțin 20 de diametre ale tubului s-a dovedit a fi importantă în producerea jeturilor coerente.
• Geometria și starea marginii orificiului: O margine ciobită pe un orificiu este cel mai important factor care afectează coerența jetului. În consecință, filtrele de apă sunt utilizate de obicei în amonte de pompele de apă. În duza cu jet de apă abrazivă, migrarea abrazivilor în amonte de orificiu ar trebui eliminată prin succesiunea corectă a opririi abrazivului și a jetului de apă. De asemenea, controlul câmpului de presiune din camera de amestec este de o importanță critică.

Jeturi de apă tip ventilator

Pentru aplicațiile de curățare și pregătire a suprafețelor, s-a constatat că jeturile tip ventilator sunt mai practice și mai eficiente decât jeturile rotunde. În aceste jeturi, energia este răspândită liniar pentru a acoperi o zonă mai largă. Densitatea de putere este astfel mai mică, dar trebuie doar să depășească pragul de material pentru îndepărtarea materialului. Shimizu (2006) a arătat efectul parametrilor fanjet asupra eroziunii materialelor. Duzele fanjet sunt de obicei realizate din metal (recent și din diamant) folosind tehnici speciale de fabricație pentru a obține geometria corectă, finisarea suprafeței și starea de pretensionare a materialului. Procesele de proiectare și fabricație vizează distribuirea uniformă a puterii jetului și reducerea la minimum a „punctelor fierbinți” de margine unde jetul tinde să fie mai puternic. Figura 10 prezintă forma orificiului fanjet a cărui formă proiectată este eliptică, în timp ce vederile frontală și laterală ale fanjetului (Shimizu 2006) arată o zonă laminară inițială urmată de o zonă turbulentă și structurată.

Formarea AWJ

Mai multe metode pentru formarea unui AWJ de ultraînaltă presiune au fost raportate de Hashish (Chillman și colab. 2010). Figura 11 prezintă o schemă a duzei curente AWJ. Diametrele tipice ale jetului de apă sunt de 0,08–0,5 mm, iar vitezele tipice ale jetului sunt de până la 900 m/s la 400 MPa. Fluxul jetului de apă de mare viteză în tubul de amestec aliniat concentric creează un vid, care este utilizat pentru a transporta abrazivi dintr-un buncăr în camera abrazivă a duzei printr-un furtun de aspirație. Un material abraziv tipic este granatul, care are debite de la câteva grame pe minut la 2 kg/min. Abrazivii medii și fini (rețea de la 60 la 200) sunt cel mai frecvent utilizați pentru compozitele din metal, sticlă și rășină. Abrazivii sunt accelerați și orientați axial (focalizat) în tubul de amestecare, care are un raport lungime-diametru de la 50 la 100. Diametrele tipice ale tubului sunt 0,5–1,3 mm cu lungimi de până la 150 mm. Un material dur și tare, cum ar fi carbura de tungsten, este folosit ca tub de amestecare pentru a rezista la eroziune.

Pe baza ecuațiilor de impuls și continuitate ale fluxului lichid și solid, următoarea ecuație a lui Hashish (2003) rezultă pentru viteza particulelor Va la o distanță x în interiorul tubului de amestec:

unde r = ḿa/ḿw este raportul de încărcare abrazivă. Ecuațiile de mai sus sugerează că particulele mai mari necesită tuburi de amestecare mai lungi. De asemenea, rețineți că, pe măsură ce debitul abraziv crește, pot fi utilizate tuburi mai scurte pentru a atinge viteza maximă. Pentru abrazivi cu rețea de 100, de exemplu, este necesară o lungime a tubului de amestec de numai 33 mm pentru un raport de încărcare abrazivă de 0,12. Lungimea tipică a tubului de amestec utilizat în industrie pentru acest caz este totuși de aproximativ 76 mm. Lungimea suplimentară este utilizată pentru a colima jetul și pentru a crește valoarea lui λ la aproximativ 0,95, așa cum se poate calcula din ecuațiile de mai sus. Rețineți că lungimea suplimentară a tubului de amestec de 43 mm contribuie cu doar 5 % la viteza maximă posibilă.

În timp ce adăugarea de abrazivi la jeturile de apă s-a dovedit a îmbunătăți semnificativ puterea sa de tăiere, energia cinetică abrazivă din abrazivi nu va depăși 10-15% din a jetului de apă. Mai mult, această energie este distribuită pe secțiunea transversală a duzei de amestecare, care este de obicei de 10 ori mai mare decât aria jetului de apă. În consecință, densitatea de putere a abrazivilor într-un AWJ este cu aproximativ două ordine de mărime mai mică decât cea a unui jet de apă. Însă, această putere este reorientată prin vârfurile abrazivilor de pe piesa de prelucrat pentru a provoca o concentrare locală de energie mai mare și, astfel, o îndepărtare semnificativ mai mare a materialului decât este posibil cu jeturile de apă simple.

Utilizarea asistării cu vid a fost introdusă pentru a permite jeturilor cu performanțe slabe de antrenare a aerului să atragă mai mult aer și, astfel, să ofere o capacitate de transport mai eficientă a abrazivului.