Desenvolvimento de um laboratório

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 6421 (2023) Citar este artigo

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Líquidos criogênicos, como o nitrogênio líquido, são relevantes para inúmeros processos na engenharia e nas indústrias alimentícia e farmacêutica. No entanto, como resultado de sua forte evaporação em condições ambientais, seu manuseio para fins de laboratório e experimentação é até agora complicado. No presente trabalho é desenvolvida e caracterizada em detalhes uma abordagem de projeto original para um dispositivo de alimentação 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 gotas únicas de maneira 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 maneira significativamente melhor forma controlada e mais flexível. O dispositivo é caracterizado experimentalmente por condições operacionais variadas durante a geração de um jato de líquido livre, e sua versatilidade para fins de pesquisa de laboratório é brevemente demonstrada.

Devido à sua importância para vários processos na natureza e na engenharia, a dinâmica de gotas e mais especificamente o impacto de gotas tem sido extensivamente estudada experimentalmente por quase um século e meio1,2. Para a geração de gotículas, mesmo uma seringa e uma agulha hipodérmica acoplada podem ser suficientes para colocar uma gotícula onde for necessário; a gota simplesmente se desprenderá da agulha devido à gravidade. O tamanho da gota depende do tamanho da agulha e, teoricamente, escala linearmente com o diâmetro da agulha. Se a agulha estiver na posição certa no momento do desprendimento, essa abordagem simples pode ser suficiente para realizar experimentos de impacto de gotas. No entanto, para fins mais sofisticados, por exemplo, para obter uma frequência controlada de geração de gotas ou tamanho de gota, ou ao lidar com líquidos não newtonianos, várias abordagens de projeto para geradores de gotas foram relatadas na literatura nas últimas décadas3,4,5,6,7 ,8. Eles são projetados para atender a uma finalidade específica em uma determinada aplicação industrial ou são usados ​​em um 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 criogênicos. Embora uma seringa e uma agulha sejam basicamente suficientes para a geração de gotas, esforços notáveis ​​têm sido investidos no projeto de geradores de gotas que atendam aos requisitos específicos resultantes de uma determinada aplicação.

Com base no anterior, nenhum esclarecimento adicional é necessário 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 utilizados em diversas áreas, como engenharia, indústrias alimentícia e farmacêutica. Uma vez que os líquidos criogênicos fervem permanentemente ao serem manuseados em condições ambientais, eles exibem um comportamento único. Em particular, a interação de um líquido criogênico com outros líquidos ou sólidos em temperaturas mais altas está associada a vários processos físicos que interagem parcialmente uns com os outros e 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. Evita particularmente o uso de abordagens clássicas para geração de gotículas que são 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 nitrogênio líquido usado em estudos científicos, as gotículas até agora foram geradas principalmente deixando o líquido pingar de um reservatório estacionário e isolado para nitrogênio líquido9,10,11,12, o que está associado a uma versatilidade significativamente reduzida do abordagem devido à sua limitada flexibilidade e controlabilidade do líquido.