УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ОДНОРАЗМЕРНЫХ КАПЕЛЬ ЖИДКОСТИ ИЛИ ПУЗЫРЬКОВ ГАЗА

Полезная модель относится к технической физике и в частности к средствам точного дозирования жидких и газообразных сред и может найти применение при проведении различных научных исследований в области гидродинамики, физической химии, биологии, медицины и др.
Известен способ определения вязкости жидкости, который включает движение в ней шарового зонда. При этом в качестве шарового зонда используют газовый пузырек-маркер, сформированный на выходе сопла, через которое газ поступает в цилиндрическую кювету, заполненную жидкостью (RU 2390757 [1]) Используемое в данном способе устройство для формирования газовых пузырьков не может быть использовано в исследованиях, где требуется высокая точность формирования пузырьков заданного объема, поскольку, наряду с формированием основного пузырька, устройство генерирует и пузырьки - спутники (см. «Открытие в гидродинамике - всплывающие пузырьки воздуха имеют память»  [2])
Известно устройство для определения поверхностного натяжения жидкостей, в котором осуществляется формирование пузырька на кончике капилляра (RU 2416090 [3]). Недостатком известного устройства является невысокая точность формирования пузырьков заданного объема, поскольку, наряду с формированием основного пузырька, устройство генерирует и пузырьки - спутники.
Известен генератор капель, который используется при исследовании работы автомобильных двигателей (CN 101813044 [4]). Устройство содержит топливный насос, на выходе которого установлен капилляр, корпус которого соединен с генератором синусоидальных колебаний для обеспечения вибрации капилляра.
Регулируя внутренний диаметр капиллярной трубки и регулируя частоту колебаний или скорость потока, генератор капель может формировать капли различных размеров и с различной частотой их следования. Недостатком известного устройства является невысокая точность формирования капель заданного объема, поскольку, наряду с формированием основной капли, устройство генерирует и капли-спутники, также как и в случае формирования газовых пузырьков.
Известно дозирующее устройство, которое состоит из герметичного цилиндрического корпуса с прозрачной обечайкой из оргстекла, расходометра, патрубка, гибкого трубопровода, держателя иглы, иглы с капиллярным отверстием. Держатель иглы пружинами прижат к мембране генератора колебаний, жестко соединенного с кронштейном (RU 2089877 [5]). Вода при перепаде давлений вакуум-атмосфера (давление в камере Р=1,3-1,5 КПа) через расходомер подается в патрубок и далее по гибкому трубопроводу и держателю иглы к игле с капиллярным отверстием. Возмущающее воздействие от генератора колебаний передается через мембрану на держатель иглы. Варьируя расходом воды, сечением иглы и частотой колебаний генератора, устанавливают требуемый размер капель и частоту их образования (расстояние между каплями).
Недостатком известного устройства является невысокая точность формирования капель заданного объема, поскольку, наряду с формированием основной капли, устройство генерирует и капли - спутники.
Заявляемое устройство направлено на повышение точности дозирования. Указанный результат достигается тем, что устройство для формирования одноразмерных капель жидкости или пузырьков газа, содержит резервуар с жидкостью или газом и присоединенный к нему недеформируемый капилляр, внутри которого размещен не касающийся стенок капилляра жесткий сердечник, заостренный конец которого смещен относительно торца капилляра.
Указанный результат достигается так же тем, что жесткий сердечник размещен вдоль продольной оси капилляра.
Указанный результат достигается так же тем, что конец жесткого сердечника смещен наружу на расстояние, превышающее внутренний диаметр капилляра.
Указанный результат достигается так же тем, что конец жесткого сердечника смещен внутрь капилляра на расстояние, непревышающее внутренний диаметр капилляра.
Указанный результат достигается так же тем, что капилляр выполнен с сужающимся концом.
При проведении научных исследований автором в результате поисков удобных в эксплуатации и стабильных в долговременной работе дозаторов газа при создании пузырьков совершенно неожиданно было установлено, что если внутри капилляра разместить жесткий заостренный сердечник, конец которого смещен относительно торца капилляра, то капли жидкости и газовые пузырьки в жидкости формируются без образования пузырьков - спутников и капель - спутников.
Для сохранения стабильности параметров газовых пузырьков в жидкости или капель жидкости в газе, стенки капилляра должны быть жесткими (недеформируемыми), сердечник - жестким, заостренным и не касаться в выходном отверстии стенок капилляра.
Наиболее оптимально размещение жесткого сердечника вдоль продольной оси капилляра. В этом случае расход жидкости при формировании капель или газа (при формировании пузырьков в жидкости) однороден по сечению, что способствует формированию капли с минимальными отклонениями от осесимметричной в момент отрыва и уменьшению амплитуды объемных колебаний капли, которые могут оказывать нежелательное действие в прецизионных экспериментах.
Как известно, при отрыве в пузырьке (или капле) возбуждаются объемные осцилляции, от области разрыва по поверхности бегут короткие капиллярные волны. Интенсивность объемных осцилляции зависит от относительного положения вершины центрального стержня относительно среза капилляра. В частности, выдвижение стержня из капилляра приводит к увеличению амплитуды объемных колебаний, что увеличивает интенсивность процессов обмена веществом и энергией.
Амплитуда коротких капиллярных волн увеличивается, когда стержень сдвигается внутрь капилляра. Углублении стержня больше, чем на диаметр капилляра, его влияние перестает проявляться, и отрыв пузырька может сопровождается образованием мелких сателлитов.
Диапазон изменчивости диаметров газовых пузырьков минимален, когда капилляр выполнен из стекла или металла и имеет классическую форму с зауженным концом.
Сущность заявляемого устройства для формирования капель жидкости или пузырьков газа поясняется графическими материалами и примером реализации. На фиг.1 схематично представлен вариант реализации устройства для генерации капель жидкости с выдвинутым из капилляра жестким стержнем. На фиг.2 схематично представлен вариант реализации устройства для генерации стандартных газовых пузырьков с вдвинутым внутрь капилляра жестким стержнем.
Пример. В предпочтительном варианте реализации устройство для формирования капель жидкости или пузырьков газа содержит резервуар 1 с жидкостью или газом и присоединенный к нему с помощью соответствующих шлангов или трубопроводов (на чертежах не показаны) недеформируемый капилляр 2 с сужающимся концом, внутри которого размещен жесткий сердечник 3, конец которого смещен относительно торца капилляра. В случае использования устройства для формирования пузырьков в качестве резервуара может выступать баллон со сжатым газом, снабженный соответствующей запорной арматурой и средствами регулирования подачи газа через капилляр. Газ также может производиться внутри снабженной электродами стеклянной полости, к которой подсоединен капилляр, при электролизе водных растворов.
В случае использования устройства для формирования капель в качестве резервуара может выступать любая емкость, либо обеспечивающая перемещение жидкости самотеком под воздействием гравитационного поля земли, либо снабженная насосом, обеспечивающим требуемую скорость прокачки жидкости через капилляр.
Устройство для формирования капель жидкости или пузырьков газа функционирует следующим образом.
При использовании предлагаемого устройства в качестве средства для формирования пузырьков для проведения научных исследований (например, определение вязкости, поверхностного натяжения, профиля частоты плавучести, характеризующего распределение плотности или профиля горизонтальной компоненты скорости непрерывно стратифицированных сред капилляр 2 погружают в жидкость открытым концом вверх и с помощью запорной арматуры устанавливают требуемый расход воздуха. Формирующиеся пузырьки лишены пузырьков-спутников меньшего размера, что повышает точность проводимых исследований.
При использовании предлагаемого устройства в качестве средства для формирования капель для проведения научных исследований капилляр устанавливают вертикально, открытым концом вниз и с помощью соответствующих средств устанавливают частоту образования капель. В результате, при использовании предлагаемого устройства, капли формируются без образования капель-спутников.