СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПАКТНОГО КЛАСТЕРА МОНОДИСПЕРСНЫХ КАПЕЛЬ ЗАДАННОГО РАЗМЕРА
METHOD FOR OBTAINING A COMPACT CLUSTER OF MONODISPERE DROPS OF A GIVEN SIZE

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.
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.
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.
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.
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.
Данный способ позволяет получить несколько последовательно падающих капель и не обеспечивает получение компактного кластера капель.
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.
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.
Техническим результатом настоящего изобретения является разработка стабильного и воспроизводимого способа получения компактного кластера монодисперсных капель, а также возможность регулирование размера капель.
1
2
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 р и обеспечивают одновременный отрыв капель от капилляров с образованием компактного кластера путем создания в растворе импульса давления с амплитудой р.
1
2
Концентрация поверхностно-активного вещества в растворе, диаметр образующихся капель, максимальный диаметр капилляров, расстояние между ними и значение давлений р, р определяют из соотношений
3
где С - концентрация поверхностно-активного вещества в растворе, моль/м;
кр
3
С - критическая концентрация мицеллообразования, моль/м;
D - диаметр образующихся капель, м;
d внешний (для смачивающих жидкостей) или внутренний (для несмачивающих жидкостей) диаметр капилляра, м;
σ(С) - коэффициент поверхностного натяжения раствора для значения концентрации поверхностно-активного вещества С, Н/м;
ƒ=0.6 - эмпирический коэффициент;
3
ρ - плотность раствора жидкости, кг/м;
2
g - ускорение свободного падения, м/с;
max
d - максимальный диаметр капилляра, м;
max
σ - максимальное значение коэффициента поверхностного натяжения раствора (при С=0), Н/м;
- расстояние между осями капилляров, м;
max
D - максимальный диаметр образующихся капель (при отсутствии поверхностно-активного вещества в растворе, С=0), м;
1
р - величина давления, необходимого для образования устойчивых капель, Па;
2
S - площадь поперечного сечения канала капилляра, м;
2
р - величина давления, необходимого для отрыва капель, Па.
Сущность изобретения поясняется следующими рисунками.
а
Фиг. 1 - Графики зависимости коэффициента поверхностного натяжения растворов дистиллированной воды от концентрации поверхностно-активного вещества в растворе:  - додецилсульфат натрия CH3(CH2)11OSO3Na, б - аммоний перфторолигоэфирмонокарбоксилат CF3CF2CF2O[CF(CF3)CF2O]2CF(CF3)COONH4.
Фиг. 2 - Схема лабораторной установки для реализации заявляемого способа.
Фиг. 3 - Фотография исходного кластера монодисперсных капель, образованных на концах капилляров.
Фиг. 4 - Фотография кластера монодисперсных капель в процессе осаждения в поле силы тяжести.
Достижение положительного эффекта изобретения обеспечивается следующими факторами.
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.
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.
1
3. Медленное повышение давления раствора в сосуде до значения р 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.
2
4. Создание в растворе импульса давления с амплитудой p обеспечивает одновременный отрыв предварительно образованных капель на концах капилляров с образованием компактного кластера монодисперсных капель.
а
кр
кр
5. На Фиг. 1 приведены графики зависимости коэффициента поверхностного натяжения раствора от массовой концентрации некоторых ПАВ - додецилсульфат натрия (Фиг. 1) 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 С (критической концентрации мицеллообразования) [7, 8]. При дальнейшем увеличении концентрации ПАВ (С>С) коэффициент поверхностного натяжения раствора не изменяется (σ(С)=const). Следовательно, концентрацию ПАВ в растворе жидкости необходимо выбирать из условия (1):
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:
где: m - масса капли, кг.
3
Подставляя в (7) массу сферической капли m=ρ(πD/6), получим формулу (2) для расчета диаметра капли:
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]:
Нарушение сферичности неподвижной капли происходит за счет неустойчивости Рэлея-Тейлора происходит при условии [10]
Выражая из (8) диаметр капли, получим:
С учетом (9) из (10) следует формула для расчета максимально возможного диаметра капли, сохраняющей сферическую форму:
Выражая из (1) диаметр капилляра d, получим:
max
max
Проведем расчет d для максимального значения коэффициента поверхностного натяжения σ (при С=0). С учетом (11) и (12) получим формулу (3) для расчета максимального диаметра капилляра:
При расчетах по формуле (3) определяют наружный диаметр капилляра (для несмачивающих жидкостей) или его внутренний диаметр (для смачивающих жидкостей).
7. Минимальное расстояние между осями капилляров определяется из соотношения (4):
max
где D - максимальный диаметр образующихся капель (при отсутствии поверхностно-активного вещества в растворе, С=0), м.
Это соотношение получено по результатам экспериментов с варьированием расстояние между капиллярами  Выполнение соотношения (4) позволяет исключить слияние (коагуляцию) исходных капель, формируемых на концах капилляров.
8. Значение давления ρ ι определяемое по формуле (5)
1
1
1
получено по результатам экспериментов с варьированием величины давления p и соответствует условию того, что сила давления F=pS, действующая на каплю, не превышает 10% от веса капли
2
9. Значение давления р, определяемое по формуле (5)
2
получено по результатам экспериментов с варьированием амплитуды давления р и соответствует условию стабильного отрыва всего кластера капель от капилляров.
Пример реализации
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.
вн
нр
На нижней крышке подающего сосуда 1 вертикально размещены 60 соосных капилляров 2, оси которых, удалены друг от друга на расстояние  В качестве капилляров использовались инъекционные иглы марки 30G фирмы Vogt Medical с внутренним диаметром d=0.16 мм, наружным диаметром d=0.31 мм и длиной
1
2
На штативе 10 с помощью кронштейнов 11 закреплена система медленного повышения давления раствора в сосуде до значения р и для создания импульса давления с амплитудой р. 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.
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.
1
Медленно повышают давление раствора в сосуде до значения р 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).
2
Создают импульс давления с амплитудой р 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).
кр
3
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 С=1.4 моль/м. Коэффициент поверхностного натяжения раствора варьировался от значения σ=72 мН/м при С=0 (дистиллированная вода) до значения σ=14 мН/м.
3
3
2
3
-3
-6
2
кр
кр
Для этого раствора были проведены расчеты по формулам (1) - (7) для следующих значений исходных параметров: ρ=10 кг/м; g=9.81 м/с; ƒ=0.6; С=1.4 моль/м; σ(0)=72 мН/м; σ(С)=14 мН/м; d=3.1⋅10 м; S=2.0-10 м.
1. Расчет концентрации ПАВ по формуле (1).
кр
3
С≤С=1.4 моль/м.
2. Расчет диаметра образующихся капель по формуле (2).
-3
Поскольку раствор является смачивающей жидкостью (для материала капилляра), в расчетах использовался наружный диаметр капилляра d=3.1·10 м.
Для С=0:
кр
Для С=С:
3. Расчет максимального диаметра капилляра по формуле (3).
4. Расчет расстояния между осями капилляров по формуле (4).
1
5. Расчет давления p.
2
6. Расчет давления р.
2
1
р≥5р=5⋅20.8=104.0 Па.
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.
Сравнение диаметров образующихся капель, измеренных по видеокадрам процесса, с рассчитанными значениями показало их близкое соответствие:
max
min
D=2.01 мм, D=1.16 мм - расчетные значения;
max
min
D=(2.2±0.2) мм, D=(1.2±0.2) мм - измеренные значения.
Таким образом, заявляемый способ позволяет регулировать размер формируемых капель в 1.7 раз (для раствора выбранного ПАВ в дистиллированной воде).
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.
ЛИТЕРАТУРА
1. Патент РФ №2504407 Капельница медицинская Парамошко В.А. МПК А61М 5/168, Опубликовано 20.01.2014, Бюл. №2.
2. Патент СССР №84581 Прибор для получения мелких одиночных капель жидкости Ливенцов А.В. МПК G01N 11/04, Опубликовано 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.
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.
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.
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.
7. Абрамзон А.А., Бочаров В.В., Гаевой Г.М. Поверхностно-активные вещества: Справочник. Л.: Химия, 1979. 376 с.
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.
10. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. М: Наука, 1987. Ч.1. 464 с.