Разработка лаборатории

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 6421 (2023) Цитировать эту статью

316 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Криогенные жидкости, такие как жидкий азот, используются во многих процессах в машиностроении, пищевой и фармацевтической промышленности. Однако из-за его сильного испарения в условиях окружающей среды обращение с ним в лабораторных целях и экспериментах пока затруднительно. В настоящей работе разработан и подробно охарактеризован оригинальный конструктивный подход устройства подачи жидкого азота. С помощью устройства чистый жидкий азот подается из сосуда Дьюара под давлением в иглу для подкожных инъекций без загрязнения жидкости собственными парами или инеем, что, в конечном итоге, позволяет генерировать свободную струю жидкости или отдельные капли способом, сравнимым с обработкой не- криогенные жидкости с помощью шприца и иглы для подкожных инъекций. По сравнению с предыдущими подходами к генерации капель жидкого азота в научных исследованиях, которые в основном опирались на резервуар для жидкого азота, из которого капли формируются на нижнем выпускном отверстии под действием силы тяжести, настоящая конструкция позволяет генерировать капли и свободные струи жидкости значительно лучше. контролируемый и более гибкий способ. Экспериментально охарактеризовано устройство для изменения условий эксплуатации при формировании свободной струи жидкости, а также кратко продемонстрирована его универсальность для целей лабораторных исследований.

Из-за своей важности для различных процессов в природе и технике, динамика капель и, в частности, воздействие капель широко изучались экспериментально на протяжении почти полутора столетий1,2. Для образования капель может быть достаточно даже шприца и прикрепленной к нему иглы для подкожных инъекций, чтобы поместить каплю туда, где это необходимо; капля просто отделится от иглы под действием силы тяжести. Размер капель зависит от размера иглы и теоретически линейно зависит от диаметра иглы. Если игла находится в правильном положении в момент отделения, этого простого подхода может быть достаточно для проведения экспериментов по воздействию капель. Однако для более сложных целей, например, для достижения контролируемой частоты образования капель или размера капель, или при работе с неньютоновскими жидкостями, в литературе за последние десятилетия сообщалось о многочисленных подходах к проектированию генераторов капель3,4,5,6,7. ,8. Они либо предназначены для выполнения конкретной цели в определенном промышленном применении, либо используются в лабораторных условиях для изучения основ взаимодействия капли с окружающей средой. Однако все вышесказанное относится исключительно к некриогенным жидкостям. Хотя для создания капель в принципе достаточно шприца и иглы, заметные усилия были вложены в разработку генераторов капель, отвечающих конкретным требованиям, вытекающим из данного применения.

Учитывая вышеизложенное, не требуется дальнейших разъяснений для оправдания любых усилий, вложенных в разработку системы, которая фактически позволяет генерировать капли из криогенной жидкости, такой как жидкий азот. Криогенные жидкости, то есть жидкости с температурой кипения ниже −150\(\,^\circ \)C при атмосферном давлении, используются в различных областях, таких как машиностроение, пищевая и фармацевтическая промышленность. Поскольку криогенные жидкости постоянно кипятят при обращении с ними в условиях окружающей среды, они демонстрируют довольно уникальное поведение. В частности, взаимодействие криогенной жидкости с другими жидкостями или твердыми телами, находящимися при более высоких температурах, связано с различными физическими процессами, частично взаимодействующими друг с другом и потенциально контролирующими технологический процесс, в котором они участвуют. Хотя их все более широкое использование для технических и медицинских приложений в основном мотивирует продолжающиеся исследования криогенных жидкостей, непрерывное испарение в условиях окружающей среды чрезвычайно усложняет их использование для экспериментов. Это особенно мешает использовать классические подходы к генерации капель, хорошо зарекомендовавшие себя для некриогенных жидкостей. Хотя коммерческие решения существуют, в литературе до сих пор мало сообщений о генерации капель из криогенных жидкостей. Однако конкретно для жидкого азота, используемого в научных исследованиях, капли до сих пор в основном образовывались за счет вытекания жидкости из стационарного и изолированного резервуара для жидкого азота9,10,11,12, что связано со значительно сниженной универсальностью подход из-за его ограниченной гибкости и управляемости жидкостью.