Desenvolvimento de um laboratório

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 6421 (2023) Citar este artigo

473 Acessos

2 Altmétrico

Detalhes das métricas

Líquidos criogênicos, como o nitrogênio líquido, são relevantes para vários processos em engenharia e nas indústrias alimentícia e farmacêutica. No entanto, como resultado da sua forte evaporação em condições ambientais, o seu manuseamento para fins laboratoriais e de experimentação é até agora complicado. No presente trabalho é desenvolvida e caracterizada detalhadamente uma abordagem de projeto original para um dispositivo de fornecimento de nitrogênio líquido. Com o dispositivo, o nitrogênio líquido puro é fornecido de um frasco Dewar pressurizado para uma agulha hipodérmica sem contaminação do líquido com seu próprio vapor ou gelo, permitindo finalmente gerar um jato líquido livre ou gotículas únicas de uma forma comparável ao manuseio de não- líquidos criogênicos usando uma seringa e uma agulha hipodérmica. Em comparação com abordagens anteriores para a geração de gotículas de nitrogênio líquido em estudos científicos que dependem principalmente de um reservatório para nitrogênio líquido a partir do qual as gotículas se formam em uma saída inferior devido à gravidade, o presente projeto permite a geração de gotículas e jatos líquidos livres de uma forma significativamente melhor. forma controlada e mais flexível. O dispositivo é caracterizado experimentalmente para diversas condições operacionais durante a geração de um jato líquido livre, e sua versatilidade para fins de pesquisa laboratorial é demonstrada brevemente.

Devido à sua importância para vários processos na natureza e na engenharia, a dinâmica das gotículas e, mais especificamente, o impacto das gotículas tem sido extensivamente estudado experimentalmente há quase um século e meio . Para a geração de gotículas, mesmo uma seringa e uma agulha hipodérmica acoplada podem ser suficientes para colocar uma gotícula onde for necessária; a gota simplesmente se soltará da agulha devido à gravidade. O tamanho da gota depende do tamanho da agulha e teoricamente varia linearmente com o diâmetro da agulha. Se a agulha estiver na posição correta no momento do desprendimento, essa abordagem simples pode ser suficiente para realizar experimentos de impacto de gotículas. No entanto, para fins mais sofisticados, por exemplo, para obter uma frequência de geração de gotículas controlada ou tamanho de gotículas, ou ao manusear líquidos não newtonianos, numerosas abordagens de projeto para geradores de gotículas foram relatadas na literatura nas últimas décadas3,4,5,6,7 ,8. Eles são projetados para cumprir uma finalidade específica em uma determinada aplicação industrial ou são usados ​​em ambiente de laboratório para estudar os fundamentos envolvidos na interação de uma gota com seu ambiente. No entanto, tudo o que foi mencionado anteriormente refere-se apenas a líquidos não criogénicos. Embora uma seringa e uma agulha sejam basicamente suficientes para a geração de gotículas, esforços notáveis ​​têm sido investidos no projeto de geradores de gotículas que atendam aos requisitos específicos resultantes de uma determinada aplicação.

Com base no exposto, não são necessários esclarecimentos adicionais para justificar quaisquer esforços investidos no desenvolvimento de um sistema que realmente permita a geração de gotículas a partir de um líquido criogênico, como o nitrogênio líquido. Líquidos criogênicos, ou seja, líquidos com temperaturas de ebulição abaixo de −150\(\,^\circ \)C à pressão ambiente, são usados ​​em vários campos, como engenharia e indústrias alimentícias e farmacêuticas. Como os líquidos criogênicos fervem permanentemente quando manuseados em condições ambientais, eles exibem um comportamento bastante único. Em particular, a interacção de um líquido criogénico com outros líquidos ou sólidos a temperaturas mais elevadas está associada a vários processos físicos que interagem parcialmente entre si e que potencialmente controlam o processo técnico em que estão envolvidos. motiva pesquisas contínuas com líquidos criogênicos, a evaporação contínua em condições ambientais complica tremendamente seu manuseio para experimentação. Impede particularmente o uso de abordagens clássicas para geração de gotículas que estão bem estabelecidas para líquidos não criogênicos. Embora existam soluções comerciais, até agora pouco é relatado na literatura sobre a geração de gotículas a partir de líquidos criogênicos. No entanto, especificamente para o azoto líquido utilizado em estudos científicos, até agora as gotículas têm sido geradas principalmente deixando o líquido escorrer para fora de um reservatório estacionário e isolado para azoto líquido9,10,11,12, o que está associado a uma versatilidade significativamente reduzida do abordagem devido à sua flexibilidade limitada e controlabilidade do líquido.