RU2795373C1 - Method for obtaining a compact cluster of monodispere drops of a given size - Google Patents

Method for obtaining a compact cluster of monodispere drops of a given size Download PDF

Info

Publication number
RU2795373C1
RU2795373C1 RU2022129777A RU2022129777A RU2795373C1 RU 2795373 C1 RU2795373 C1 RU 2795373C1 RU 2022129777 A RU2022129777 A RU 2022129777A RU 2022129777 A RU2022129777 A RU 2022129777A RU 2795373 C1 RU2795373 C1 RU 2795373C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
solution
vessel
capillaries
drops
diameter
Prior art date
Application number
RU2022129777A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Афанасьевич Архипов
Сергей Александрович Басалаев
Николай Николаевич Золоторёв
Ксения Григорьевна Перфильева
Сергей Николаевич Поленчук
Владимир Иванович Романдин
Анна Сергеевна Усанина
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет"
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет"
Application granted granted Critical
Publication of RU2795373C1 publication Critical patent/RU2795373C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: development of methods and devices for laboratory studies of physical processes and properties of a liquid, in particular, for studying the patterns of motion of a compact cluster of drops. The method includes a pulsed supply of liquid from a supply vessel through a set of capillaries of the same diameter, evenly spaced on the lower lid of the vessel. A solution of a surface-active substance (surfactant) is preliminarily prepared in a liquid with a given concentration. The supply vessel, made in the form of a closed container, is filled through a branch pipe located on the bottom cover of the vessel with a prepared solution with the possibility of expelling air from the vessel through capillaries and a branch pipe located on the top cover of the vessel. Form steadily hanging at the ends of the capillaries drops by slowly increasing the pressure of the solution in the vessel to the value of p 1. Provide simultaneous detachment of drops from the capillaries with the formation of a compact cluster by creating a pressure pulse in the solution with amplitude p 2. The concentration of surfactants in the liquid solution, the diameter of the droplets formed, the diameter of the capillaries, the distance between them and the pressure value p 1, p 2 are determined from mathematical formulas.
EFFECT: obtaining a stable and reproducible compact cluster of monodisperse droplets with the ability to control the droplet size.
1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области разработки способов и устройств для лабораторных исследований физических процессов и свойств жидкостей, в частности, для исследования закономерностей движения компактного кластера капель. Изобретение может быть использовано для дозированной подачи заданных объемов жидкости при проведении научных исследований в области гидродинамики и тепломассобмена жидко-капельных аэрозольных систем в различных областях химии, биологии, медицинской технике и т.д.The invention relates to the development of methods and devices for laboratory studies of physical processes and properties of liquids, in particular, for studying the patterns of motion of a compact cluster of drops. The invention can be used for metered supply of specified volumes of liquid when conducting scientific research in the field of hydrodynamics and heat and mass transfer of liquid-drop aerosol systems in various fields of chemistry, biology, medical technology, etc.

Основной объем информации по способам и устройствам получения капель относится к одиночным каплям. Известна медицинская капельница [1], содержащая резервуар с иглой для введения в сосуд с медицинским препаратом, соединенный с эластичной трубкой, имеющей на конце инъекционную иглу, а также содержащий роликовый регулятор скорости подачи медицинского препарата. Резервуар медицинской капельницы выполнен заодно с боковой камерой, герметично отделенной от него эластичной упругой мембраной с встроенным в нее коромыслом. На конце коромысла закреплена чаша с дренажным отверстием, предназначенная для контроля завершения процесса закапывания медицинского препарата.The bulk of information on methods and devices for obtaining drops refers to single drops. Known medical dropper [1], containing a reservoir with a needle for injection into a vessel with a medicinal product, connected to an elastic tube having an injection needle at the end, and also containing a roller regulator for the flow rate of the medicinal product. The reservoir of the medical dropper is made integral with the side chamber, hermetically separated from it by an elastic elastic membrane with a rocker arm built into it. At the end of the rocker, a bowl with a drainage hole is fixed, designed to control the completion of the process of instillation of the medical preparation.

Известен способ получения мелких одиночных капель жидкости, основанный на физическом явлении, заключающегося в образовании одиночной капли при разрыве жидкости. Прибор для реализации этого способа [2] выполнен в виде горизонтально расположенной трубки и стержня, перемещающегося возвратно-поступательно вдоль ее оси. В трубку непрерывно подается жидкость. При периодическом соприкосновении стержня с мениском жидкости и при его отрыве от мениска стержень выбрасывает наружу каплю жидкости. Подача жидкости регулируется иглой, расположенной в трубке и подвижной в осевом направлении.A known method of obtaining small single drops of liquid, based on the physical phenomenon, which consists in the formation of a single drop when the liquid breaks. The device for implementing this method [2] is made in the form of a horizontal tube and a rod moving reciprocating along its axis. Fluid is continuously fed into the tube. When the rod periodically comes into contact with the meniscus of the liquid and when it is separated from the meniscus, the rod throws out a drop of liquid. The fluid supply is controlled by a needle located in the tube and movable in the axial direction.

Известен способ получения потока капель с регулируемым дисперсным составом [3], включающий распыливание жидкости в газообразной среде центробежной форсункой, содержащей камеру закручивания, входные тангенциальные каналы и выходное сопло. В процессе распыливания жидкости изменяют суммарные площади входных тангенциальных каналов путем дискретного перекрытия части каналов. Данный способ не позволяет получить монодисперсные капли, поскольку в факеле распыла форсунки образуются полидисперсная система капель.A known method of obtaining a flow of drops with a controlled dispersed composition [3], including spraying liquid in a gaseous medium with a centrifugal nozzle containing a swirling chamber, inlet tangential channels and an outlet nozzle. In the process of liquid spraying, the total areas of the inlet tangential channels are changed by discrete overlapping of a part of the channels. This method does not make it possible to obtain monodisperse droplets, since a polydisperse droplet system is formed in the nozzle spray jet.

Известен способ генерации последовательно движущихся монодисперсных капель жидкости с помощью устройств [4, 5] Принцип действия устройств заключается в формировании нескольких идентичных капель на концах капилляров, расположенных горизонтально на разной высоте. Жидкость в капилляры подают по трубкам из сосуда под давлением, создаваемым компрессором. Отрыв капель от капилляров осуществляют с помощью резкого перемещения короба с иглами при включении электромагнита. Капли жидкости, оторвавшись от игл, остаются на месте, после чего продолжают свое движение под действием гравитационных сил в строго вертикальном направлении сверху вниз, на фиксированном расстоянии друг от друга.A known method of generating sequentially moving monodisperse liquid drops using devices [4, 5] The principle of operation of the devices is to form several identical drops at the ends of capillaries located horizontally at different heights. The liquid is fed into the capillaries through tubes from a vessel under pressure created by the compressor. Separation of drops from the capillaries is carried out by means of a sharp movement of the box with needles when the electromagnet is turned on. Drops of liquid, breaking away from the needles, remain in place, after which they continue their movement under the action of gravitational forces in a strictly vertical direction from top to bottom, at a fixed distance from each other.

Данный способ позволяет получить несколько последовательно падающих капель и не обеспечивает получение компактного кластера капель.This method makes it possible to obtain several sequentially falling drops and does not provide a compact cluster of drops.

Наиболее близким по технической сущности настоящего изобретения является способ получения кластера капель, предложенный в [6]. В данном способе группу монодисперсных капель получают путем многократной импульсной подачи жидкости из мерной емкости через набор равномерно расположенных капилляров одинакового диаметра. Образование группы капель осуществляется подачей импульсов напряжения от генератора на электропневмоклапан в полость мерной емкости, при которых возникают импульсы давления.The closest in technical essence of the present invention is a method for obtaining a cluster of drops proposed in [6]. In this method, a group of monodisperse drops is obtained by repeated pulsed supply of liquid from a measuring container through a set of evenly spaced capillaries of the same diameter. The formation of a group of drops is carried out by applying voltage pulses from the generator to the electropneumatic valve into the cavity of the measuring tank, at which pressure pulses occur.

Недостатком данного способа является недостаточная стабильность и воспроизводимость получения кластера капель (неодновременность отрыва капель от среза капилляров, образование неполного кластера капель). Эти эффекты связаны, по видимому, с образованием пузырьков воздуха в жидкости и воздушной прослойки в капиллярах.The disadvantage of this method is the lack of stability and reproducibility of obtaining a cluster of drops (non-simultaneous detachment of drops from the capillary cut, the formation of an incomplete cluster of drops). These effects are apparently associated with the formation of air bubbles in the liquid and an air gap in the capillaries.

Техническим результатом настоящего изобретения является разработка стабильного и воспроизводимого способа получения компактного кластера монодисперсных капель, а также возможность регулирование размера капель.The technical result of the present invention is the development of a stable and reproducible method for obtaining a compact cluster of monodisperse droplets, as well as the ability to control the droplet size.

Технический результат достигается тем, что разработан способ получения компактного кластера монодисперсных капель заданного размера, включающий импульсную подачу жидкости из подающего сосуда через набор капилляров одинакового диаметра, равномерно расположенных на нижней крышке сосуда. Предварительно готовят раствор поверхностно-активного вещества в жидкости с заданной концентрацией, подающий сосуд, выполненный в виде замкнутой емкости, заполняют через патрубок, размещенный на нижней крышке сосуда, приготовленным раствором с возможностью полного вытеснения воздуха из сосуда через капилляры и патрубок, расположенный на верхней крышке сосуда. Формируют устойчиво висящие на концах капилляров капли путем медленного повышения давления раствора в сосуде до значения р1 и обеспечивают одновременный отрыв капель от капилляров с образованием компактного кластера путем создания в растворе импульса давления с амплитудой р2.The technical result is achieved by the fact that a method has been developed for obtaining a compact cluster of monodisperse drops of a given size, including a pulsed supply of liquid from a supply vessel through a set of capillaries of the same diameter, evenly spaced on the bottom cover of the vessel. A solution of a surfactant in a liquid with a given concentration is preliminarily prepared, the supply vessel, made in the form of a closed container, is filled through a pipe located on the bottom cover of the vessel with the prepared solution with the possibility of completely displacing air from the vessel through the capillaries and the pipe located on the top cover vessel. Drops stably hanging at the ends of the capillaries are formed by slowly increasing the pressure of the solution in the vessel to the value p 1 and simultaneous detachment of the drops from the capillaries with the formation of a compact cluster is ensured by creating a pressure pulse with the amplitude p 2 in the solution.

Концентрация поверхностно-активного вещества в растворе, диаметр образующихся капель, максимальный диаметр капилляров, расстояние между ними и значение давлений р1, р2 определяют из соотношенийThe concentration of the surfactant in the solution, the diameter of the droplets formed, the maximum diameter of the capillaries, the distance between them and the pressure value p 1 , p 2 are determined from the ratios

Figure 00000001
Figure 00000001

Figure 00000002
Figure 00000002

где С - концентрация поверхностно-активного вещества в растворе, моль/м3;where C is the concentration of the surfactant in the solution, mol/m 3 ;

Скр - критическая концентрация мицеллообразования, моль/м3;C cr - critical concentration of micellization, mol/m 3 ;

D - диаметр образующихся капель, м;D is the diameter of the droplets formed, m;

d внешний (для смачивающих жидкостей) или внутренний (для несмачивающих жидкостей) диаметр капилляра, м;d external (for wetting liquids) or internal (for non-wetting liquids) capillary diameter, m;

σ(С) - коэффициент поверхностного натяжения раствора для значения концентрации поверхностно-активного вещества С, Н/м;σ(C) - coefficient of surface tension of the solution for the value of the concentration of surfactant C, N/m;

ƒ=0.6 - эмпирический коэффициент;ƒ=0.6 - empirical coefficient;

ρ - плотность раствора жидкости, кг/м3;ρ is the density of the liquid solution, kg/m 3 ;

g - ускорение свободного падения, м/с2;g - free fall acceleration, m/s 2 ;

dmax - максимальный диаметр капилляра, м;d max - maximum capillary diameter, m;

σmax - максимальное значение коэффициента поверхностного натяжения раствора (при С=0), Н/м;σ max - the maximum value of the coefficient of surface tension of the solution (at C=0), N/m;

Figure 00000003
- расстояние между осями капилляров, м;
Figure 00000003
- distance between the axes of the capillaries, m;

Dmax - максимальный диаметр образующихся капель (при отсутствии поверхностно-активного вещества в растворе, С=0), м;D max - the maximum diameter of the droplets formed (in the absence of a surfactant in solution, C=0), m;

р1 - величина давления, необходимого для образования устойчивых капель, Па;p 1 - the pressure required for the formation of stable drops, Pa;

S - площадь поперечного сечения канала капилляра, м2;S is the cross-sectional area of the capillary channel, m 2 ;

р2 - величина давления, необходимого для отрыва капель, Па.p 2 - the pressure required to separate the drops, Pa.

Сущность изобретения поясняется следующими рисунками.The essence of the invention is illustrated by the following figures.

Фиг. 1 - Графики зависимости коэффициента поверхностного натяжения растворов дистиллированной воды от концентрации поверхностно-активного вещества в растворе: а - додецилсульфат натрия CH3(CH2)11OSO3Na, б - аммоний перфторолигоэфирмонокарбоксилат CF3CF2CF2O[CF(CF3)CF2O]2CF(CF3)COONH4.Fig. 1 - Graphs of the dependence of the surface tension coefficient of distilled water solutions on the concentration of the surfactant in the solution: a - sodium dodecyl sulfate CH3(CH2)11OSO3Na, b - ammonium perfluoroligoethermonocarboxylate CF3CF2CF2O[CF(CF3)CF2O]2CF(CF3)COONH4.

Фиг. 2 - Схема лабораторной установки для реализации заявляемого способа.Fig. 2 - Diagram of a laboratory setup for implementing the proposed method.

Фиг. 3 - Фотография исходного кластера монодисперсных капель, образованных на концах капилляров.Fig. 3 - Photograph of the original cluster of monodisperse drops formed at the ends of the capillaries.

Фиг. 4 - Фотография кластера монодисперсных капель в процессе осаждения в поле силы тяжести.Fig. 4 - Photograph of a cluster of monodisperse droplets in the process of settling in a gravity field.

Достижение положительного эффекта изобретения обеспечивается следующими факторами.The achievement of the positive effect of the invention is provided by the following factors.

1. Известно, что введение даже небольшого количества поверхностно-активного вещества (ПАВ) в жидкость существенно снижает ее коэффициент поверхностного натяжения [7]. Предварительное приготовление раствора ПАВ в жидкости с заданной концентрацией обеспечивает изменение коэффициента поверхностного натяжения раствора ПАВ в жидкости и, следовательно, изменение размера монодисперсных капель, формируемых на концах капилляров.1. It is known that the introduction of even a small amount of a surfactant into a liquid significantly reduces its surface tension coefficient [7]. Preliminary preparation of a surfactant solution in a liquid with a given concentration provides a change in the surface tension coefficient of a surfactant solution in a liquid and, consequently, a change in the size of monodisperse droplets formed at the ends of capillaries.

2. Заполнение подающего сосуда, выполненного в виде замкнутой емкости через патрубок, размещенный на нижней крышке сосуда, приготовленным раствором с возможностью полного вытеснения воздуха из сосуда через капилляры и патрубок, расположенный на верхней крышке сосуда, обеспечивает отсутствие пузырьков воздуха в капиллярах. Это позволяет формировать устойчивые капли во всех капиллярах, обеспечивая получение компактного кластера монодисперсных капель. Пузырьки воздуха могут препятствовать процессу каплеобразования и получению стабильного кластера моно дисперсных капель.2. Filling the supply vessel, made in the form of a closed container through a pipe located on the bottom cover of the vessel, with a prepared solution with the possibility of completely displacing air from the vessel through the capillaries and the pipe located on the top cover of the vessel, ensures the absence of air bubbles in the capillaries. This allows the formation of stable drops in all capillaries, providing a compact cluster of monodisperse drops. Air bubbles can interfere with the process of drop formation and the formation of a stable cluster of monodisperse droplets.

3. Медленное повышение давления раствора в сосуде до значения р1 обеспечивает образование идентичных устойчиво висящих капель на концах капилляров. Предварительные эксперименты показали, что при быстром или импульсном изменении давления отрыв капель от капилляров происходит неодновременно.3. A slow increase in the pressure of the solution in the vessel to a value of p 1 ensures the formation of identical stably hanging drops at the ends of the capillaries. Preliminary experiments have shown that with a rapid or pulsed change in pressure, the detachment of drops from capillaries does not occur simultaneously.

4. Создание в растворе импульса давления с амплитудой p2 обеспечивает одновременный отрыв предварительно образованных капель на концах капилляров с образованием компактного кластера монодисперсных капель.4. The creation of a pressure pulse with amplitude p2 in the solution ensures the simultaneous detachment of preformed drops at the ends of the capillaries with the formation of a compact cluster of monodisperse drops.

5. На Фиг. 1 приведены графики зависимости коэффициента поверхностного натяжения раствора от массовой концентрации некоторых ПАВ - додецилсульфат натрия (Фиг. 1а) и аммоний перфторолигоэфирмонокарбоксилат (Фиг. 1б) - в дистиллированной воде σ(С) [8]. Из приведенных графиков следует, что величина σ монотонно снижается с увеличением концентрации ПАВ до некоторого значения Скр (критической концентрации мицеллообразования) [7, 8]. При дальнейшем увеличении концентрации ПАВ (С>Скр) коэффициент поверхностного натяжения раствора не изменяется (σ(С)=const). Следовательно, концентрацию ПАВ в растворе жидкости необходимо выбирать из условия (1):5. In FIG. 1 shows graphs of the dependence of the surface tension coefficient of the solution on the mass concentration of some surfactants - sodium dodecyl sulfate (Fig. 1a ) and ammonium perfluoroligoethermonocarboxylate (Fig. 1b) - in distilled water σ(C) [8]. It follows from the given graphs that the value of σ decreases monotonically with an increase in the surfactant concentration up to a certain value of Сcr (critical micelle concentration) [7, 8]. With a further increase in the concentration of surfactants (C>C cr ) the surface tension coefficient of the solution does not change (σ(C)=const). Therefore, the surfactant concentration in the liquid solution must be chosen from condition (1):

Figure 00000004
Figure 00000004

6. Для расчета диаметра образующихся моно дисперсных капель используем закон Тэйта, [9] в соответствии с которым критическим условием отрыва капли от капилляра является равенство сил тяжести и поверхностного натяжения, действующих на каплю:6. To calculate the diameter of the formed monodisperse drops, we use the Tait law [9], according to which the critical condition for the detachment of a drop from a capillary is the equality of the forces of gravity and surface tension acting on the drop:

Figure 00000005
Figure 00000005

где: m - масса капли, кг.where: m is the mass of the drop, kg.

Подставляя в (7) массу сферической капли m=ρ(πD3/6), получим формулу (2) для расчета диаметра капли:Substituting in (7) the mass of a spherical drop m=ρ(πD 3 /6), we obtain formula (2) for calculating the drop diameter:

Figure 00000006
Figure 00000006

6. Для определения диаметра капилляров рассмотрим условие деформации капли под действием силы тяжести. Критерием начала деформации неподвижной капли за счет развития неустойчивости Рэлея-Тейлора является число Бонда [10]:6. To determine the capillary diameter, consider the condition of droplet deformation under the action of gravity. The criterion for the onset of deformation of an immobile drop due to the development of the Rayleigh-Taylor instability is the Bond number [10]:

Figure 00000007
Figure 00000007

Нарушение сферичности неподвижной капли происходит за счет неустойчивости Рэлея-Тейлора происходит при условии [10]The violation of the sphericity of a stationary drop occurs due to the Rayleigh-Taylor instability occurs under the condition [10]

Figure 00000008
Figure 00000008

Выражая из (8) диаметр капли, получим:Expressing from (8) the drop diameter, we obtain:

Figure 00000009
Figure 00000009

С учетом (9) из (10) следует формула для расчета максимально возможного диаметра капли, сохраняющей сферическую форму:Taking into account (9), from (10) follows the formula for calculating the maximum possible diameter of a drop that retains a spherical shape:

Figure 00000010
Figure 00000010

Выражая из (1) диаметр капилляра d, получим:Expressing from (1) the capillary diameter d, we obtain:

Figure 00000011
Figure 00000011

Проведем расчет dmax для максимального значения коэффициента поверхностного натяжения σmax (при С=0). С учетом (11) и (12) получим формулу (3) для расчета максимального диаметра капилляра:Let's calculate d max for the maximum value of the surface tension coefficient σ max (at С=0). Taking into account (11) and (12), we obtain formula (3) for calculating the maximum capillary diameter:

Figure 00000012
Figure 00000012

При расчетах по формуле (3) определяют наружный диаметр капилляра (для несмачивающих жидкостей) или его внутренний диаметр (для смачивающих жидкостей).When calculating according to formula (3), the outer diameter of the capillary (for non-wetting liquids) or its inner diameter (for wetting liquids) is determined.

7. Минимальное расстояние между осями капилляров определяется из соотношения (4):7. The minimum distance between the axes of the capillaries is determined from the relation (4):

Figure 00000013
Figure 00000013

где Dmax - максимальный диаметр образующихся капель (при отсутствии поверхностно-активного вещества в растворе, С=0), м.where D max is the maximum diameter of the droplets formed (in the absence of a surfactant in solution, C=0), m.

Это соотношение получено по результатам экспериментов с варьированием расстояние между капиллярами

Figure 00000014
Выполнение соотношения (4) позволяет исключить слияние (коагуляцию) исходных капель, формируемых на концах капилляров.This ratio was obtained from the results of experiments with varying the distance between the capillaries
Figure 00000014
The fulfillment of relation (4) makes it possible to exclude the coalescence (coagulation) of the initial drops formed at the ends of the capillaries.

8. Значение давления ρ ι определяемое по формуле (5)8. Pressure value ρ ι determined by formula (5)

Figure 00000015
Figure 00000015

получено по результатам экспериментов с варьированием величины давления p1 и соответствует условию того, что сила давления F1=p1S, действующая на каплю, не превышает 10% от веса капли

Figure 00000016
obtained from the results of experiments with varying pressure p 1 and corresponds to the condition that the pressure force F 1 =p 1 S acting on the drop does not exceed 10% of the drop weight
Figure 00000016

9. Значение давления р2, определяемое по формуле (5)9. Pressure value p 2 determined by formula (5)

Figure 00000017
Figure 00000017

получено по результатам экспериментов с варьированием амплитуды давления р2 и соответствует условию стабильного отрыва всего кластера капель от капилляров.obtained from the results of experiments with varying pressure amplitude р 2 and corresponds to the condition of stable detachment of the entire cluster of drops from the capillaries.

Пример реализацииImplementation example

Сущность изобретения поясняется схемой лабораторной установки, реализующей способ получения компактного кластера монодисперсных капель заданного размера. Схема лабораторной установки приведена на Фиг. 2. Установка состоит из подающего сосуда 1, фиксированном с помощью крепежных кронштейнов 11 на жестко закрепленном вертикальном штативе 10. Сосуд 1 заполнен раствором ПАВ в жидкости с заданной концентрацией. На нижней крышке подающего сосуда расположен патрубок 13 с запорным вентилем 14, на верхней крышке сосуда расположен патрубок 8 с запорным вентилем 16.The essence of the invention is illustrated by a diagram of a laboratory setup that implements a method for obtaining a compact cluster of monodisperse drops of a given size. The diagram of the laboratory setup is shown in Fig. 2. The installation consists of a supply vessel 1 fixed with the help of mounting brackets 11 on a rigidly fixed vertical support 10. The vessel 1 is filled with a solution of a surfactant in a liquid with a given concentration. On the bottom cover of the supply vessel there is a branch pipe 13 with a shut-off valve 14, on the upper cover of the vessel there is a branch pipe 8 with a shut-off valve 16.

На нижней крышке подающего сосуда 1 вертикально размещены 60 соосных капилляров 2, оси которых, удалены друг от друга на расстояние

Figure 00000018
В качестве капилляров использовались инъекционные иглы марки 30G фирмы Vogt Medical с внутренним диаметром dвн=0.16 мм, наружным диаметром dнр=0.31 мм и длиной
Figure 00000019
On the bottom cover of the supply vessel 1, 60 coaxial capillaries 2 are vertically placed, the axes of which are spaced from each other by a distance
Figure 00000018
As capillaries, injection needles of the 30G brand from Vogt Medical with an inner diameter d int = 0.16 mm, an outer diameter d nr = 0.31 mm and a length
Figure 00000019

На штативе 10 с помощью кронштейнов 11 закреплена система медленного повышения давления раствора в сосуде до значения р1 и для создания импульса давления с амплитудой р2. Система создания заданного давления включает шприц 5, поршень которого соединен с микрометрическим винтом 6. Микрометрический винт 6 приводится в движение от микромотора-редуктора 7, скорость движения которого контролируется задатчиком длительности электрических импульсов 12. Внутренняя полость шприца 5 соединена через гибкий шланг 3 и запорный вентиль 4 с подающей емкостью 1. Давление в подающем сосуде контролируется манометром 15.A system for slowly increasing the pressure of the solution in the vessel to a value of p 1 and to create a pressure pulse with an amplitude of p 2 is fixed on a tripod 10 using brackets 11. The system for creating a given pressure includes a syringe 5, the piston of which is connected to a micrometer screw 6. The micrometer screw 6 is driven by a micromotor-reducer 7, the speed of which is controlled by the electric pulse duration generator 12. The internal cavity of the syringe 5 is connected through a flexible hose 3 and a shut-off valve 4 with supply vessel 1. The pressure in the supply vessel is controlled by a manometer 15.

Способ получения компактного кластера монодисперсных капель заданного размера реализуется следующим образом. Для выбранных рабочей жидкости и состава ПАВ предварительно готовят раствор с заданной концентрацией. Через патрубок 13 и открытый запорный вентиль 14 заполняют под давлением подающий сосуд 1 приготовленным раствором. В процессе подачи жидкости происходит вытеснение воздух через патрубок 8 и отрытый запорный вентиль 16, а также через капилляры 2. После полного заполнения подающего сосуда происходит истечение жидкости через патрубок 8 и капилляры 2. Путем закрытия запорных вентилей 14, 16 проводят герметизацию подающего сосуда 1.The method for obtaining a compact cluster of monodisperse drops of a given size is implemented as follows. For the selected working fluid and surfactant composition, a solution with a given concentration is preliminarily prepared. Through the pipe 13 and the open shut-off valve 14, the supply vessel 1 is filled under pressure with the prepared solution. In the process of liquid supply, air is forced out through the pipe 8 and the open shut-off valve 16, as well as through the capillaries 2. After the supply vessel is completely filled, the liquid flows out through the pipe 8 and capillaries 2. By closing the shut-off valves 14, 16, the supply vessel 1 is sealed.

Медленно повышают давление раствора в сосуде до значения р1 с помощью шприца 5 и микрометрического винта 6 с мотором-редуктором 7 при заданном (медленном) режиме работы задатчика длительности электрических импульсов. При этом формируются устойчиво висящие на концах капилляров 2 капли 9 (Фиг. 3).Slowly increase the pressure of the solution in the vessel to a value of p 1 using a syringe 5 and a micrometer screw 6 with a motor-reducer 7 at a given (slow) mode of operation of the electric pulse duration generator. In this case, 2 drops 9 stably hanging at the ends of the capillaries are formed (Fig. 3).

Создают импульс давления с амплитудой р2 с помощью шприца 5 и микрометрического винта 6 с мотором-редуктором 7 при заданном (быстром) режиме работы задатчика длительности электрических импульсов. При этом происходит одновременный отрыв капель от капилляров с образованием компактного монодисперсного кластера (Фиг. 4).Create a pressure pulse with amplitude p 2 using a syringe 5 and a micrometer screw 6 with a motor-reducer 7 at a given (fast) mode of operation of the electric pulse duration generator. When this occurs, the simultaneous detachment of drops from the capillaries with the formation of a compact monodisperse cluster (Fig. 4).

Реализация способа проведена на примере раствора ПАВ в дистиллированной воде. В качестве ПАВ использовался аммоний перфторолигоэфирмонокарбоксилат. Для этого состава ПАВ из Фиг. 1б следует, что значение критической концентрации мицеллообразования Скр=1.4 моль/м3. Коэффициент поверхностного натяжения раствора варьировался от значения σ=72 мН/м при С=0 (дистиллированная вода) до значения σ=14 мН/м.The implementation of the method carried out on the example of a solution of surfactants in distilled water. Ammonium perfluoroligoether monocarboxylate was used as a surfactant. For this surfactant composition of FIG. 1b it follows that the value of the critical concentration of micelle formation C cr =1.4 mol/m 3 . The surface tension coefficient of the solution varied from σ=72 mN/m at C=0 (distilled water) to σ=14 mN/m.

Для этого раствора были проведены расчеты по формулам (1) - (7) для следующих значений исходных параметров: ρ=103 кг/м3; g=9.81 м/с2; ƒ=0.6; Скр=1.4 моль/м3; σ(0)=72 мН/м; σ(Скр)=14 мН/м; d=3.1⋅10-3 м; S=2.0-10-6 м2.For this solution, calculations were carried out using formulas (1) - (7) for the following values of the initial parameters: ρ=10 3 kg/m 3 ; g=9.81 m/s 2 ; ƒ=0.6; C cr =1.4 mol/m 3 ; σ(0)=72 mN/m; σ(C cr )=14 mN/m; d=3.1⋅10 -3 m; S=2.0-10 -6 m 2 .

1. Расчет концентрации ПАВ по формуле (1).1. Calculation of surfactant concentration according to formula (1).

С≤Скр=1.4 моль/м3.С≤С cr =1.4 mol/m 3 .

2. Расчет диаметра образующихся капель по формуле (2).2. Calculation of the diameter of the droplets formed according to formula (2).

Поскольку раствор является смачивающей жидкостью (для материала капилляра), в расчетах использовался наружный диаметр капилляра d=3.1·10-3 м.Since the solution is a wetting liquid (for the material of the capillary), the outer diameter of the capillary d=3.1 10 -3 m was used in the calculations.

Для С=0:For C=0:

Figure 00000020
Figure 00000020

Для С=Скр:For C=C cr :

Figure 00000021
Figure 00000021

3. Расчет максимального диаметра капилляра по формуле (3).3. Calculation of the maximum capillary diameter using formula (3).

Figure 00000022
Figure 00000022

4. Расчет расстояния между осями капилляров по формуле (4).4. Calculation of the distance between the axes of the capillaries according to the formula (4).

Figure 00000023
Figure 00000023

5. Расчет давления p1.5. Calculation of pressure p 1 .

Figure 00000024
Figure 00000024

6. Расчет давления р2.6. Calculation of pressure p 2 .

р2≥5р1=5⋅20.8=104.0 Па.p 2 ≥5r 1 = 5⋅20.8=104.0 Pa.

Фотография на Фиг. 3 показывает, что заявляемый способ позволяет формировать исходный кластер монодисперсных капель, образованных на концах капилляров. Фотография на Фиг. 4 показывает, что способ обеспечивает одновременный отрыв от капилляров всех капель с образованием компактного кластера капель.The photograph in Fig. 3 shows that the claimed method makes it possible to form an initial cluster of monodisperse droplets formed at the ends of capillaries. The photograph in Fig. 4 shows that the method ensures simultaneous detachment of all drops from the capillaries with the formation of a compact cluster of drops.

Сравнение диаметров образующихся капель, измеренных по видеокадрам процесса, с рассчитанными значениями показало их близкое соответствие:Comparison of the diameters of the droplets formed, measured from the video frames of the process, with the calculated values showed their close correspondence:

Dmax=2.01 мм, Dmin=1.16 мм - расчетные значения;D max =2.01 mm, D min =1.16 mm - calculated values;

Dmax=(2.2±0.2) мм, Dmin=(1.2±0.2) мм - измеренные значения.D max =(2.2±0.2) mm, D min =(1.2±0.2) mm - measured values.

Таким образом, заявляемый способ позволяет регулировать размер формируемых капель в 1.7 раз (для раствора выбранного ПАВ в дистиллированной воде).Thus, the proposed method allows you to adjust the size of the droplets formed by 1.7 times (for a solution of the selected surfactant in distilled water).

Приведенный пример доказывает, что при реализации предлагаемого способ получения компактного кластера монодисперсных капель заданного размера достигается положительный эффект изобретения, заключающийся в стабильном и воспроизводим получении компактного кластера монодисперсных капель, а также возможности регулирования размера капель.The above example proves that when implementing the proposed method for obtaining a compact cluster of monodisperse drops of a given size, the positive effect of the invention is achieved, which consists in stable and reproducible obtaining of a compact cluster of monodisperse drops, as well as the ability to control the droplet size.

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

1. Патент РФ №2504407 Капельница медицинская Парамошко В.А. МПК А61М 5/168, Опубликовано 20.01.2014, Бюл. №2.1. Patent of the Russian Federation No. 2504407 Medical dropper Paramoshko V.A. IPC A61M 5/168, Published on 01/20/2014, Bull. No. 2.

2. Патент СССР №84581 Прибор для получения мелких одиночных капель жидкости Ливенцов А.В. МПК G01N 11/04, Опубликовано 1950.10.10.2. Patent of the USSR No. 84581 Device for obtaining small single drops of liquid Liventsov A.V. IPC G01N 11/04, Published 1950.10.10.

3. Патент РФ №2690802 Способ получения потока капель с регулируемым дисперсным составом Архипов В.Α., Коноваленко А.И., Маслов Е.А., Перфильева К.Г. Золоторев Н.Н. МПК В05В 1/34, Опубликовано 05.06.2019, Бюл. №16.3. Patent of the Russian Federation No. 2690802 Method for obtaining a flow of drops with a controlled dispersed composition Arkhipov V.A., Konovalenko A.I., Maslov E.A., Perfilieva K.G. Zolotorev N.N. IPC B05B 1/34, Published on 06/05/2019, Bull. No. 16.

4. Патент РФ №2602996 Устройство для генерации последовательно движущихся капель жидкости Волков Р.С., Войтков И.С., Забелин М.В. МПК G01F 11/00, Опубликовано 20.11.2016, Бюл. №32.4. RF patent No. 2602996 Device for generating sequentially moving liquid drops Volkov R.S., Voitkov I.S., Zabelin M.V. IPC G01F 11/00, Published on 11/20/2016, Bull. No. 32.

5. Патент РФ №2606090 Устройство для генерации последовательно движущихся капель жидкости Волков Р.С, Пискунов М.В., Стрижак П.А. МПК G01F 11/00, Опубликовано 10.01.2017, Бюл. №1.5. RF patent No. 2606090 Device for generating sequentially moving liquid drops Volkov R.S., Piskunov M.V., Strizhak P.A. IPC G01F 11/00, Published on 01/10/2017, Bull. No. 1.

6. Патент РФ №2724140 Способ определения скорости испарения группы капель Архипов В.Α., Коноваленнко А.И., Басалаев С.Α., Золоторев Н.Н., Перфильева К.Г., Усанина А.С. МПК G01N 25/12, Опубликовано 22.06.2020, Бюл. №18.6. RF patent No. 2724140 Method for determining the evaporation rate of a group of drops Arkhipov V.A., Konovalenko A.I., Basalaev S.A., Zolotorev N.N., Perfilieva K.G., Usanina A.S. IPC G01N 25/12, Published on 06/22/2020, Bull. No. 18.

7. Абрамзон А.А., Бочаров В.В., Гаевой Г.М. Поверхностно-активные вещества: Справочник. Л.: Химия, 1979. 376 с.7. Abramzon A.A., Bocharov V.V., Gaevoy G.M. Surfactants: A Handbook. L.: Chemistry, 1979. 376 p.

8. Zhang J., Meng Y. Stick-slip friction of stainless steel in sodium dodecyl sulfate aqueous solution in the boundary lubrication regime // Tribol Lett. 2014. Vol. 56, No. 3. P. 543-552.8. Zhang J., Meng Y. Stick-slip friction of stainless steel in sodium dodecyl sulfate aqueous solution in the boundary lubrication regime. Tribol Lett. 2014. Vol. 56, no. 3. P. 543-552.

9. Адамсон А. Физическая химия поверхностей. Μ.: Мир, 1979. 570 с.9. Adamson A. Physical chemistry of surfaces. M.: Mir, 1979. 570 p.

10. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. М: Наука, 1987. Ч.1. 464 с.10. Nigmatulin R.I. Dynamics of multiphase media. M: Nauka, 1987. Part 1. 464 p.

Claims (22)

Способ получения компактного кластера монодисперсных капель заданного размера, включающий импульсную подачу жидкости из подающего сосуда через набор капилляров одинакового диаметра, равномерно расположенных на нижней крышке сосуда, отличающийся тем, что предварительно готовят раствор поверхностно-активного вещества в жидкости с заданной концентрацией, подающий сосуд, выполненный в виде замкнутой емкости, заполняют через патрубок, размещенный на нижней крышке сосуда, приготовленным раствором с возможностью полного вытеснения воздуха из сосуда через капилляры и патрубок, расположенный на верхней крышке сосуда, формируют устойчиво висящие на концах капилляров капли путем медленного повышения давления раствора в сосуде до значения p1 и обеспечивают одновременный отрыв капель от капилляров с образованием компактного кластера путем создания в растворе импульса давления с амплитудой p2, при этом концентрация поверхностно-активного вещества в растворе, диаметр образующихся капель, максимальный диаметр капилляров, расстояние между ними и значение давлений p1, p2 определяют из соотношенийA method for obtaining a compact cluster of monodisperse drops of a given size, which includes pulsed supply of liquid from a supply vessel through a set of capillaries of the same diameter, evenly spaced on the bottom cover of the vessel, characterized in that a solution of a surfactant in a liquid with a given concentration is preliminarily prepared, a supply vessel made in the form of a closed container, it is filled through the branch pipe located on the bottom cover of the vessel with the prepared solution with the possibility of completely displacing air from the vessel through the capillaries and the branch pipe located on the top cover of the vessel, droplets hanging steadily at the ends of the capillaries are formed by slowly increasing the pressure of the solution in the vessel to values of p 1 and provide simultaneous detachment of drops from capillaries with the formation of a compact cluster by creating a pressure pulse with amplitude p 2 in the solution, while the concentration of the surfactant in the solution, the diameter of the droplets formed, the maximum diameter of the capillaries, the distance between them and the pressure value p 1 , p 2 are determined from the relations С ≤ Скр ,С ≤ С cr ,
Figure 00000025
,
Figure 00000025
,
Figure 00000026
,
Figure 00000026
,
Figure 00000027
,
Figure 00000027
,
Figure 00000028
,
Figure 00000028
,
Figure 00000029
,
Figure 00000029
,
где С – концентрация поверхностно-активного вещества в растворе, моль/м3;where C is the concentration of the surfactant in the solution, mol/ m3 ; Скр – критическая концентрация мицеллообразования, моль/м3; Сcr is the critical concentration of micellization, mol/m 3 ; D – диаметр образующихся капель, м;D is the diameter of the droplets formed, m; d – внешний для смачивающих жидкостей или внутренний для несмачивающих жидкостей диаметр капилляра, м;d is the outer diameter for wetting liquids or the inner diameter for non-wetting liquids, m; σ(С) – коэффициент поверхностного натяжения раствора для значения концентрации поверхностно-активного вещества С, Н/м;σ(С) is the surface tension coefficient of the solution for the concentration value of the surfactant С, N/m; f =0.6 – эмпирический коэффициент;f = 0.6 - empirical coefficient; ρ – плотность раствора жидкости, кг/м3;ρ is the density of the liquid solution, kg/ m3 ; g – ускорение свободного падения, м/с2;g - free fall acceleration, m/s 2 ; dmax  – максимальный диаметр капилляра, м;d max is the maximum capillary diameter, m; σmax  – максимальное значение коэффициента поверхностного натяжения раствора при С = 0, Н/м;σ max is the maximum value of the surface tension coefficient of the solution at С = 0, N/m; l – расстояние между осями капилляров, м;l is the distance between the axes of the capillaries, m; Dmax – максимальный диаметр образующихся капель (при отсутствии поверхностно-активного вещества в растворе, С = 0), м;D max is the maximum diameter of droplets formed (in the absence of a surfactant in solution, C = 0), m; p1  – величина давления, необходимого для образования устойчивых капель, Па;p 1 is the pressure required for the formation of stable drops, Pa; S – площадь поперечного сечения канала капилляра, м2;S is the cross-sectional area of the capillary channel, m2 ; p2 – величина давления, необходимого для отрыва капель, Па.p 2 is the pressure required to separate drops, Pa.
RU2022129777A 2022-11-17 Method for obtaining a compact cluster of monodispere drops of a given size RU2795373C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2795373C1 true RU2795373C1 (en) 2023-05-03

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2602996C1 (en) * 2015-08-04 2016-11-20 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" Device to generate series of moving fluid drops
RU2606090C1 (en) * 2015-09-28 2017-01-10 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" Device for generating series of moving liquid drops
CN107202812A (en) * 2016-09-08 2017-09-26 江苏科技大学 A kind of many drop evaporations of acoustic levitation and combustion experimental device and its method
RU2690802C1 (en) * 2018-12-18 2019-06-05 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (НИ ТГУ) Method of producing a stream of droplets with controlled disperse composition
RU2724140C1 (en) * 2019-12-02 2020-06-22 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (НИ ТГУ) Method of determining the evaporation rate of a group of drops

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2602996C1 (en) * 2015-08-04 2016-11-20 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" Device to generate series of moving fluid drops
RU2606090C1 (en) * 2015-09-28 2017-01-10 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" Device for generating series of moving liquid drops
CN107202812A (en) * 2016-09-08 2017-09-26 江苏科技大学 A kind of many drop evaporations of acoustic levitation and combustion experimental device and its method
RU2690802C1 (en) * 2018-12-18 2019-06-05 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (НИ ТГУ) Method of producing a stream of droplets with controlled disperse composition
RU2724140C1 (en) * 2019-12-02 2020-06-22 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (НИ ТГУ) Method of determining the evaporation rate of a group of drops

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Crabtree et al. Bubble coalescence in viscous liquids
Davies et al. The mechanics of large bubbles rising through extended liquids and through liquids in tubes
Clanet et al. Onset of menisci
ES2817998T3 (en) Method of fusing or contacting reactor and reagent droplets in a microfluidic or millifluidic device
US20080054091A1 (en) Ultrasonic atomization and/or seperation system
Lorenceau et al. Fracture of a viscous liquid
Dietrich et al. Experimental investigation of bubble and drop formation at submerged orifices
RU2795373C1 (en) Method for obtaining a compact cluster of monodispere drops of a given size
Li et al. Marangoni instabilities of drops of different viscosities in stratified liquids
US4387734A (en) Apparatus and method for spontaneous meniscus generation
Arakeri et al. Bifurcation in a buoyant horizontal laminar jet
US10384218B2 (en) Liquid atomization method and device
Najafi et al. Single micro-bubble generation by pressure pulse technique
Farzana et al. Study of early time dynamics of drop spreading in different surrounding pressure
RU123516U1 (en) DEVICE FOR FORMING ONE-SIZED DROPS OF LIQUID OR GAS BUBBLES
CN108998343A (en) A kind of generating device of digital pcr microlayer model
USH1099H (en) Liquid-drop generator
Ebrahim et al. An experimental technique for accelerating a single liquid droplet to high impact velocities against a solid target surface using a propellant gas
CN208883846U (en) A kind of generating device of digital pcr microlayer model
McClendon The laws of surface tension and their applicability to living cells and cell division
CN110404486A (en) A kind of preparation method of gelled pill
De Soete et al. Passage of surfactant-laden and particle-laden drops through a contraction
CN110064451B (en) Fluid driving mechanism and fluid driving method
CN105032647B (en) A kind of electrostatic medical liquid spraying platform
Bhavasar et al. Drop volumes and terminal velocities in aqueous two phase systems