ES2953864B2 - METHOD AND DEVICE FOR GASEOUS FOCALIZATION OF TRANSONIC FLUIDS OF WEAKLY VISCOELASTIC JETS - Google Patents
METHOD AND DEVICE FOR GASEOUS FOCALIZATION OF TRANSONIC FLUIDS OF WEAKLY VISCOELASTIC JETSInfo
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Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
MÉTODO Y DISPOSITIVO PARA LA FOCALIZACIÓN GASEOSA DE FLUIDOSMETHOD AND DEVICE FOR GAS FOCUSING OF FLUIDS
TRANSÓNICA DE CHORROS DÉBILMENTE VISCOELÁSTICOSTRANSONICS OF WEAKLY VISCOELASTIC JETS
CAMPO DE LA INVENCIÓNFIELD OF INVENTION
La presente invención se refiere a un método de producción controlada de pequeñas entidades de fluido. Más concretamente, la invención se refiere a un método de producción de chorros estacionarios débilmente viscoelásticos y altamente estables mediante focalización gaseosa de fluidos transónica. The present invention relates to a method of controlled production of small fluid entities. More specifically, the invention relates to a method of producing highly stable, weakly viscoelastic stationary jets by transonic gaseous fluid focusing.
CAMPO DE LA INVENCIÓNFIELD OF INVENTION
En la actualidad son conocidas varias técnicas de producción controlada de pequeñas entidades de fluido (e.g., gotas, burbujas, emulsiones, cápsulas) con múltiples aplicaciones. La focalización gaseosa de fluidos (véase A. M. Gañán-Calvo,Generation of steady liquid microthreads and micron-sized monodisperse sprays in gas streams,Phys. Rev. Lett. 80, 285-288 (1998)), es un ejemplo paradigmático, donde un líquido es inyectado con un caudal constante a través de un capilar de suministro localizado en frente de un orificio o dentro de una tobera convergente. Al mismo tiempo, una corriente de gas confluyente es forzada a cruzar el orificio/tobera, originando unos gradientes de presiones y esfuerzos viscosos favorables, cuyas fuerzas resultantes afilan el líquido inyectado formando un menisco de líquido unido al capilar de suministro, y empujan un chorro fino de líquido desde la punta de dicho menisco. Cuando el líquido es inyectado con un caudal por encima de un valor umbral Qmin y, adicionalmente, la corriente de gas exterior es transónica (i.e., dicha corriente tiene velocidades iguales o superiores a la velocidad del sonido), es posible producir chorros rectos, muy largos y delgados, con velocidades desde decenas hasta alrededor de 100 m/s, y descargarlos en una cámara a baja presión. Several techniques for the controlled production of small fluid entities (e.g., droplets, bubbles, emulsions, capsules) with multiple applications are known today. Gaseous fluid focusing (see A. M. Gañán-Calvo, Generation of steady liquid microthreads and micron-sized monodisperse sprays in gas streams, Phys. Rev. Lett. 80, 285-288 (1998)), is a paradigmatic example, where a liquid is injected at a constant flow rate through a supply capillary located in front of an orifice or inside a convergent nozzle. At the same time, a confluent gas stream is forced to cross the orifice/nozzle, originating favorable pressure gradients and viscous stresses, whose resulting forces sharpen the injected liquid forming a liquid meniscus attached to the supply capillary, and push a thin jet of liquid from the tip of said meniscus. When the liquid is injected with a flow rate above a threshold value Qmin and, additionally, the external gas stream is transonic (i.e., said stream has velocities equal to or greater than the speed of sound), it is possible to produce straight, very long and thin jets, with velocities from tens to around 100 m/s, and discharge them into a low-pressure chamber.
La focalización gaseosa de fluidos tiene muchas aplicaciones destacadas. La ruptura de chorros simples o compuestos, debida a fenómenos de inestabilidad capilar, permite formar pequeñas gotas/cápsulas con un aceptable grado de monodispersidad. Asimismo, se pueden eyectar microburbujas en la punta del menisco cuando las fases exterior (focalizadora, continua) e interior (focalizada, dispersada) son intercambiadas. En todos estos casos, el tamaño de la entidad microfluídica producida es menor que cualquier sección del eyector, debido a la acción de la corriente focalizadora. La focalización gaseosa de fluidos también ha sido empleada para la producción de micropartículas de estructuras complejas o para formar microburbujas sensibles a estímulos con un amplio rango de aplicaciones en farmacia y medicina. Gaseous fluid focusing has many important applications. The breakup of single or compound jets, due to capillary instability phenomena, allows the formation of small droplets/capsules with an acceptable degree of monodispersity. Furthermore, microbubbles can be ejected at the tip of the meniscus when the outer (focusing, continuous) and inner (focused, dispersed) phases are exchanged. In all these cases, the size of the microfluidic entity produced is smaller than any section of the ejector, due to the action of the focusing stream. Gaseous fluid focusing has also been used for the production of microparticles with complex structures or to form stimulus-sensitive microbubbles with a wide range of applications in pharmacy and medicine.
Por otra parte, la focalización gaseosa de fluidos transónica se ha convertido en una de las formas más exitosas de introducir muestras en cristalografía de femtosegundos en serie, o, en inglés, "Serial Femtosecond Crystallography” (SFX) (véase H. N. Chapman et al.,Femtosecond X-ray protein nanocrystallography,Nature 470, 73-77 (2011), y S. Boutet et al.,High-Resolution Protein Structure Determination by Serial Femtosecond Crystallography,Science 337, 362-364 (2012)), que ha revolucionado la detección molecular de especies bioquímicas complejas, desde proteínas a virus. On the other hand, transonic gaseous fluid focusing has emerged as one of the most successful ways to introduce samples in serial femtosecond crystallography, or “Serial Femtosecond Crystallography” (SFX) (see H. N. Chapman et al., Femtosecond X-ray protein nanocrystallography, Nature 470, 73–77 (2011), and S. Boutet et al., High-Resolution Protein Structure Determination by Serial Femtosecond Crystallography, Science 337, 362–364 (2012)), which has revolutionized the molecular detection of complex biochemical species from proteins to viruses.
Las anteriores aplicaciones de la focalización gaseosa de fluidos requieren la producción de chorros muy finos y longevos. Por ejemplo, en SFX, cuanto más largo es el chorro producido, más fácilmente se evitan las posibles interferencias (e.g., daños o salpicaduras) entre la radiación de rayos X empleada en la detección molecular, y el eyector que origina el chorro. Adicionalmente, con el objeto de reducir lo máximo posible el ruido de fondo presente en el patrón de difracción obtenido tras radiar el chorro que contine la muestra en SFX, los diámetros de los chorros producidos deben ser del orden de micro o nanómetros. Sin embargo, el diámetro y la longitud de los chorros están comúnmente ligados a través de los números de Weber y de Ohnesorge, de tal forma que, típicamente, cuanto más fino es el chorro más corto es el mismo. Además, en la búsqueda de dicho aumento de la longitud relativa, la composición química de los líquidos empleados para introducir las muestras en SFX no debe verse afectada significativamente, de forma que el ruido de fondo en el patrón sea conocido y/o sencillo de substraer. The above applications of gaseous fluid focusing require the production of very fine and long-lived jets. For example, in SFX, the longer the jet produced, the easier it is to avoid possible interferences (e.g., damage or splashing) between the X-ray radiation used in molecular detection and the jet originating the jet. Additionally, in order to reduce as much as possible the background noise present in the diffraction pattern obtained after irradiating the jet containing the sample in SFX, the diameters of the jets produced should be in the order of micro or nanometers. However, the diameter and length of the jets are commonly linked through the Weber and Ohnesorge numbers, so that, typically, the finer the jet, the shorter it is. Furthermore, in the pursuit of such an increase in relative length, the chemical composition of the liquids used to introduce the samples into SFX must not be significantly affected, so that the background noise in the pattern is known and/or easy to subtract.
Por tanto, es deseable obtener un método de focalización gaseosa de fluidos que aumente la estabilidad de los chorros, de manera que se produzcan chorros más finos y largos, y que la composición química del líquido que compone el chorro no se vea modificada de forma significativa. It is therefore desirable to obtain a gaseous fluid focusing method that increases the stability of the jets, so that finer and longer jets are produced, and the chemical composition of the liquid that makes up the jet is not significantly modified.
La presente invención soluciona las necesidades anteriormente mencionadas. The present invention solves the aforementioned needs.
DESCRIPCIÓN BREVE DE LA INVENCIÓNBRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION
La presente invención soluciona las necesidades mencionadas anteriormente en el estado de la técnica mediante un método que produce chorros estacionarios débilmente viscoelásticos y altamente estables mediante focalización gaseosa de fluidos. The present invention addresses the above-mentioned needs in the state of the art by means of a method that produces highly stable, weakly viscoelastic stationary jets by means of gaseous focusing of fluids.
En un primer aspecto inventivo, la invención proporciona un método para la focalización gaseosa de fluidos de un líquido de trabajo, comprendiendo el método las etapas de proporcionar una zona convergente que comprende una sección de recepción y un orificio de descarga, estando configurada la zona convergente para recibir en la sección de recepción una corriente de gas y para descargar dicha corriente de gas aguas abajo del orificio de descarga, donde relación entre la presión de remanso (p0) en la zona convergente y la presión (pc) aguas abajo del oficio de descarga es al menos la necesaria para que la velocidad de la corriente de gas aguas abajo del orificio de descarga sea igual o mayor que la velocidad del sonido, In a first inventive aspect, the invention provides a method for gaseous fluid focusing of a working liquid, the method comprising the steps of providing a convergent zone comprising a receiving section and a discharge orifice, the convergent zone being configured to receive in the receiving section a gas stream and to discharge said gas stream downstream of the discharge orifice, wherein the ratio of the stagnation pressure (p0) in the convergent zone to the pressure (pc) downstream of the discharge orifice is at least that necessary for the velocity of the gas stream downstream of the discharge orifice to be equal to or greater than the speed of sound,
proporcionar un capilar interno dentro de la zona convergente, extendiéndose el capilar interno a lo largo de un eje, teniendo el capilar interno una superficie interior con una sección de entrada y una sección de salida perpendicular al eje y teniendo también una superficie exterior, de modo que existe una zona de formación de menisco entre la sección de salida de la superficie interior y el orificio de descarga, providing an inner capillary within the convergent zone, the inner capillary extending along an axis, the inner capillary having an inner surface with an inlet section and an outlet section perpendicular to the axis and also having an outer surface such that a meniscus-forming zone exists between the outlet section of the inner surface and the discharge orifice,
recibir un caudal constante de líquido de trabajo en la sección de entrada del capilar interno, receive a constant flow of working liquid into the inlet section of the internal capillary,
formar un menisco de líquido de trabajo en la zona de formación de menisco cuando el líquido de trabajo sale del capilar interno y contacta la corriente de gas, ejerciendo una tasa de deformación en el líquido de trabajo, dando lugar el menisco a un chorro estacionario de líquido de trabajo que se emite desde el menisco al orificio de descarga. form a meniscus of working liquid in the meniscus formation zone when the working liquid exits the inner capillary and contacts the gas stream, exerting a deformation rate on the working liquid, giving rise to the meniscus to a stationary jet of working liquid that is emitted from the meniscus to the discharge orifice.
Además, el método se caracteriza por que el líquido de trabajo es una disolución de un polímero con peso molecular igual o menor que 5*106 g/mol, y más particularmente, con peso molecular igual o menor que 2*106 g/mol, y más particularmente, con peso molecular igual o menor que 1xio6 g/mol, donde la concentración del polímero en la disolución está comprendida entre un primer valor y un segundo valor, donde el primer valor es la concentración que corresponde a un número de Weissenberg igual a 0,5 en la zona de formación del menisco, y donde el segundo valor es la concentración que corresponde a un número de Weissenberg igual a 10 en la zona de formación del menisco. Furthermore, the method is characterized in that the working liquid is a solution of a polymer with a molecular weight equal to or less than 5*106 g/mol, and more particularly, with a molecular weight equal to or less than 2*106 g/mol, and more particularly, with a molecular weight equal to or less than 1xio6 g/mol, where the concentration of the polymer in the solution is between a first value and a second value, where the first value is the concentration corresponding to a Weissenberg number equal to 0.5 in the meniscus formation zone, and where the second value is the concentration corresponding to a Weissenberg number equal to 10 in the meniscus formation zone.
La principal ventaja de este método es que el chorro estacionario de líquido de trabajo que se emite desde el menisco al orificio de descarga es un chorro débilmente viscoelástico altamente estable. Dicha estabilidad se consigue tanto en la zona de formación de menisco como aguas abajo del orificio de descarga, y es mucho mayor en comparación con el caso en el que el líquido de trabajo fuera un líquido Newtoniano. Como consecuencia de esta estabilidad mejorada, el chorro débilmente viscoelástico es considerablemente más fino en el oficio de descarga, ya que se permite eyectar caudales menores de líquido de trabajo, en comparación con líquidos de trabajo Newtonianos, cuyo límite de estabilidad en la zona de formación del menisco se alcanza con caudales mayores. Asimismo, la estabilidad mejorada también se manifiesta en que el chorro débilmente viscoelástico es considerablemente más largo aguas abajo del orificio de descarga, en comparación con un chorro de líquido Newtoniano. The main advantage of this method is that the stationary jet of working liquid emitted from the meniscus to the discharge orifice is a highly stable, weakly viscoelastic jet. This stability is achieved both in the meniscus formation zone and downstream of the discharge orifice, and is much higher compared to the case where the working liquid was a Newtonian liquid. As a consequence of this improved stability, the weakly viscoelastic jet is considerably thinner at the discharge position, since lower working liquid flow rates are allowed to be ejected compared to Newtonian working liquids, whose stability limit in the meniscus formation zone is reached at higher flow rates. Furthermore, the improved stability is also manifested in that the weakly viscoelastic jet is considerably longer downstream of the discharge orifice compared to a Newtonian liquid jet.
La estabilidad en la zona de formación del menisco está relacionada con el balance entre los diferentes esfuerzos sufridos por el líquido de trabajo en dicha zona de formación del menisco. En focalización gaseosa de fluidos transónica, el líquido de trabajo se recibe con un caudal constante en la sección de entrada del capilar interno, y sufre un flujo extensional intenso cerca de la superficie del menisco, mientras dicha superficie del menisco es arrastrada por la corriente de gas transónica, de modo que la velocidad del líquido de trabajo es acelerada en la zona de formación de menisco. Dicho incremento de la velocidad del líquido de trabajo tiene lugar en distancias del orden de decenas o cientos de micras, que es la longitud típica del menisco en focalización gaseosa de fluidos transónica, y conlleva una tasa de deformación s' ejercida sobre el líquido de trabajo en la zona de formación del menisco. Stability in the meniscus formation zone is related to the balance between the different stresses suffered by the working liquid in said meniscus formation zone. In transonic gas focusing of fluids, the working liquid is received with a constant flow rate in the inlet section of the internal capillary, and suffers an intense extensional flow near the meniscus surface, while said meniscus surface is dragged by the transonic gas stream, so that the speed of the working liquid is accelerated in the meniscus formation zone. Said increase in the speed of the working liquid takes place in distances of the order of tens or hundreds of microns, which is the typical length of the meniscus in transonic gas focusing of fluids, and entails a strain rate s' exerted on the working liquid in the meniscus formation zone.
Una vez que el caudal del líquido de trabajo se encuentra por encima de un umbral mínimo, se establece un equilibrio entre los esfuerzos sufridos por el líquido (debido a gradientes de presión, fuerzas tensionales y esfuerzos viscosos), de modo que se emite un chorro estacionario desde el menisco. Si, adicionalmente, el líquido de trabajo es una disolución polimérica, aparecen esfuerzos elásticos que colaboran en la estabilización del flujo de líquido de trabajo en la zona de formación del menisco. En particular, una disolución diluida de un polímero se puede comportar como un fluido con baja elasticidad (caracterizado por un tiempo de relajación bajo) y una viscosidad prácticamente constante ante esfuerzos de cizalla. Por lo tanto, el principal efecto del polímero en dicha disolución es un ligero incremento de la viscosidad y en la elasticidad, donde la elasticidad está caracterizada por un tiempo de relajación bajo, i.e., el tiempo de relajación, que depende del líquido de trabajo y de la concentración de polímero en el mismo, será siempre igual o menor que 200 ^s, comúnmente igual o menor que 100 ^s, frecuentemente igual o menor que 50 ^s y a veces igual o menor que 30 ^s. Once the working liquid flow rate is above a minimum threshold, an equilibrium is established between the stresses suffered by the liquid (due to pressure gradients, tensional forces and viscous stresses), so that a stationary jet is emitted from the meniscus. If, in addition, the working liquid is a polymer solution, elastic stresses appear that contribute to the stabilization of the working liquid flow in the meniscus formation zone. In particular, a dilute polymer solution can behave as a fluid with low elasticity (characterized by a low relaxation time) and a practically constant viscosity under shear stresses. Therefore, the main effect of the polymer in such a solution is a slight increase in viscosity and elasticity, where elasticity is characterized by a low relaxation time, i.e., the relaxation time, which depends on the working liquid and the polymer concentration therein, will always be equal to or less than 200 ^s, commonly equal to or less than 100 ^s, frequently equal to or less than 50 ^s and sometimes equal to or less than 30 ^s.
Por otro lado, dada una disolución polimérica caracterizada por un tiempo de relajación A* y sometida a un flujo extensional que ejerce sobre la misma una tasa de deformación s', es posible cuantificar la intensidad de dicho flujo extensional a través de una cantidad adimensional conocida como el número de Weissenberg (Wi), que viene dado por Wi = Ar s'. Curiosamente, cuando este número es mayor que 0,5, los polímeros disueltos experimentan una transición en la que pasan de estar dispuestos en una configuración helicoidal aleatoria a estar en una configuración estirada, también llamada transición helicoidal-estirado (en inglés, "coil-stretch transition”). On the other hand, given a polymer solution characterized by a relaxation time A* and subjected to an extensional flow that exerts on it a deformation rate s', it is possible to quantify the intensity of said extensional flow through a dimensionless quantity known as the Weissenberg number (Wi), which is given by Wi = Ar s'. Curiously, when this number is greater than 0.5, the dissolved polymers undergo a transition in which they go from being arranged in a random helical configuration to being in a stretched configuration, also called coil-stretch transition.
Asimismo, el tiempo de relajación Ar de una disolución polimérica aumenta a medida que aumenta la concentración del polímero en dicha disolución, debido a la interacción hidrodinámica (i.e., mediada por el flujo) entre los polímeros. De este modo, para una disolución polimérica dada, la tasa de deformación s' requerida para activar la transición helicoidal-estirado de los polímeros de una disolución polimérica disminuye a medida que aumenta la concentración del polímero en dicha disolución. Likewise, the relaxation time Ar of a polymer solution increases as the polymer concentration in the solution increases, due to the hydrodynamic (i.e., flow-mediated) interaction between the polymers. Thus, for a given polymer solution, the strain rate s' required to trigger the helical-stretch transition of the polymers in a polymer solution decreases as the polymer concentration in the solution increases.
En este contexto, para una tasa de deformación s' dada, ejercida sobre el líquido de trabajo en la zona de formación del menisco en focalización gaseosa de fluidos transónica, si dicho líquido de trabajo es una disolución polimérica diluida cuya viscosidad es aproximadamente constante ante esfuerzos de cizalla, existe un primer valor ci* para la concentración del polímero en la disolución polimérica en el que el número de Weissenberg es igual a 0,5 en la zona de formación del menisco. In this context, for a given strain rate s' exerted on the working liquid in the meniscus formation zone in transonic fluid gas focusing, if said working liquid is a dilute polymer solution whose viscosity is approximately constant under shear stresses, there exists a first value ci* for the polymer concentration in the polymer solution at which the Weissenberg number is equal to 0.5 in the meniscus formation zone.
Basándonos en esto, si en este contexto la concentración c del polímero en la disolución polimérica es inferior a dicho primer valor ci* (que llamaremos valor de concentración viscoelástico), su respectivo número de Weissenberg estará por debajo de 0,5 en la zona de formación del menisco y, en consecuencia, la transición helicoidal-estirado no tendrá lugar, y la disolución polimérica se comportará como un líquido cuasi-Newtoniano. Based on this, if in this context the concentration c of the polymer in the polymer solution is lower than said first value ci* (which we will call the viscoelastic concentration value), its respective Weissenberg number will be below 0.5 in the meniscus formation zone and, consequently, the helical-stretch transition will not take place, and the polymer solution will behave as a quasi-Newtonian liquid.
Por el contrario, si dicha concentración c es igual o mayor que dicho valor ci*, su respectivo número de Weissenberg será igual o mayor que 0,5 en la zona de formación del menisco, por lo que la transición de helicoidal-estirado sí tendrá lugar, y se activarán los esfuerzos elásticos en el líquido de trabajo en la zona de formación del menisco. Como consecuencia de ello, dichos esfuerzos elásticos ayudarán a estabilizar el flujo de líquido de trabajo en la zona de formación del menisco, y el régimen de chorro estacionario se mantendrá para valores de caudal más bajos, comparado con el caso en el que el líquido de trabajo empleado fuera un líquido Newtoniano. Y lo que es más importante, como el valor de caudal necesario para producir un chorro estacionario es menor, se obtienen chorros con un diámetro menor en el orificio de descarga, comparado con el caso en el que el líquido de trabajo empleado fuera un líquido Newtoniano. On the contrary, if said concentration c is equal to or greater than said ci* value, its respective Weissenberg number will be equal to or greater than 0.5 in the meniscus formation zone, so the helical-stretch transition will take place, and elastic stresses will be activated in the working liquid in the meniscus formation zone. As a consequence, said elastic stresses will help to stabilize the working liquid flow in the meniscus formation zone, and the stationary jet regime will be maintained for lower flow rates, compared to the case in which the working liquid used was a Newtonian liquid. And more importantly, since the flow rate value necessary to produce a stationary jet is lower, jets with a smaller diameter at the discharge orifice are obtained, compared to the case in which the working liquid used was a Newtonian liquid.
Por otra parte, cuando la concentración de polímero en la disolución polimérica excede un segundo valor c2*, tiene lugar un efecto de extracción causado por el desequilibrio que surge en la zona de formación del menisco entre la fuerza tensional originada por el flujo de tipo Poiseuille en el capilar interno, y aquella ejercida por el chorro emitido, de manera que el menisco se separa de la sección de salida del capilar interno. Como consecuencia de ello, la triple línea de contacto del menisco se mueve de manera irregular dentro del capilar interno, se pierde la simetría y tanto el menisco como el chorro tienden a sufrir inestabilidades de látigo. Dicho segundo valor c2* (que llamaremos valor de concentración de extracción) se corresponde con un número de Weissenberg igual a 10. On the other hand, when the polymer concentration in the polymer solution exceeds a second value c2*, a pull-out effect occurs, caused by the imbalance that arises in the meniscus formation zone between the tension force originated by the Poiseuille-type flow in the inner capillary and that exerted by the emitted jet, so that the meniscus separates from the outlet section of the inner capillary. As a consequence, the triple contact line of the meniscus moves irregularly within the inner capillary, symmetry is lost and both the meniscus and the jet tend to suffer whip instabilities. This second value c2* (which we will call the pull-out concentration value) corresponds to a Weissenberg number equal to 10.
Asimismo, dada una disolución polimérica diluida, el valor de concentración de extracción c2* será mayor que el valor de concentración viscoelástico c1* cuando el peso molecular Mw del polímero de dicha disolución sea igual o menor que 5*106 g/mol, comúnmente igual o menor que 2*106 g/mol, y frecuentemente igual o menor que i x i o 6 g/mol. Likewise, given a dilute polymer solution, the extraction concentration value c2* will be greater than the viscoelastic concentration value c1* when the molecular weight Mw of the polymer of said solution is equal to or less than 5*106 g/mol, commonly equal to or less than 2*106 g/mol, and frequently equal to or less than i x i or 6 g/mol.
Con respecto a la estabilidad mejorada de los chorros débilmente viscoelásticos aguas abajo del orificio de descarga, en comparación con el caso en el que el líquido de trabajo fuera un líquido Newtoniano, dicha estabilidad mejorada da como resultado un notable retraso en la ruptura del chorro. Concretamente, dicha ruptura del chorro tiene lugar a distancias que son varios órdenes de magnitud mayores que en el caso Newtoniano, contrariamente a lo esperado (véase, por ejemplo, S. Middleman,Stability of a viscoelasticjet,Chem. Eng. Sci. 20, 1037-1040 (1965)). With respect to the improved stability of weakly viscoelastic jets downstream of the discharge orifice, compared with the case where the working liquid was a Newtonian liquid, such improved stability results in a noticeable delay in jet breakup. Specifically, such jet breakup occurs at distances which are several orders of magnitude larger than in the Newtonian case, contrary to expectations (see, for example, S. Middleman, Stability of a viscoelastic jet, Chem. Eng. Sci. 20, 1037-1040 (1965)).
En realizaciones preferentes de la invención, el líquido de trabajo es recibido en la sección de entrada del capilar interno a un caudal entre 1,01 y 1,1 veces el caudal mínimo compatible con la emisión de un chorro estacionario de líquido de trabajo desde el menisco al orificio de descarga. Las condiciones para establecer el chorro estacionario son conocidas por el experto en la materia, y se refieren a la formación de un menisco estable de cuya punta se emite un chorro fino de forma estacionaria, evitando la aparición de goteo en la emisión del chorro. In preferred embodiments of the invention, the working liquid is received in the inlet section of the internal capillary at a flow rate between 1.01 and 1.1 times the minimum flow rate compatible with the emission of a stationary jet of working liquid from the meniscus to the discharge orifice. The conditions for establishing the stationary jet are known to those skilled in the art, and relate to the formation of a stable meniscus from the tip of which a fine jet is emitted in a stationary manner, avoiding the appearance of dripping when the jet is emitted.
Como consecuencia de ello, el diámetro del chorro estacionario en el orificio de descarga es reducido al valor mínimo. Además, gracias a los esfuerzos elásticos que surgen en el líquido de trabajo en la zona de formación del menisco cuando la concentración del polímero en la disolución polimérica se encuentra comprendida entre los valores c1* y c2*, la estabilidad del líquido de trabajo es mejorada con respecto al caso en el que el líquido de trabajo fuera un líquido Newtoniano. Como consecuencia de ello, el valor del caudal mínimo requerido para la emisión de un chorro estacionario y, en consecuencia, el valor del mínimo diámetro de chorro en el orificio de descarga decrecen drásticamente con respecto al caso en el que el líquido de trabajo empleado fuera un líquido Newtoniano. As a result, the diameter of the stationary jet at the discharge orifice is reduced to the minimum value. Furthermore, due to the elastic stresses that arise in the working liquid in the meniscus formation zone when the polymer concentration in the polymer solution is between the values c1* and c2*, the stability of the working liquid is improved compared to the case in which the working liquid was a Newtonian liquid. As a result, the value of the minimum flow rate required for the emission of a stationary jet and, consequently, the value of the minimum jet diameter at the discharge orifice decrease drastically compared to the case in which the working liquid used was a Newtonian liquid.
En otras realizaciones preferentes de la invención, el polímero es al menos uno de óxido de polietileno (PEO), polivinilpirrolidona (PVP), fibroína, un péptido de cadena corta o cualquier polímero que, disuelto en agua en concentración de 1 % en peso, tenga un tiempo de relajación igual o menor que 200 ^s, y más particularmente, un tiempo de relajación igual o menor que 100 ^s, y más particularmente, un tiempo de relajación igual o menor que 50 ^s, y más particularmente, un tiempo de relajación igual o menor que 30 ^s. En este contexto, el chorro débilmente viscoelástico se obtiene sin modificar de forma significativa la composición del líquido de trabajo. In other preferred embodiments of the invention, the polymer is at least one of polyethylene oxide (PEO), polyvinylpyrrolidone (PVP), fibroin, a short chain peptide or any polymer which, dissolved in water at a concentration of 1% by weight, has a relaxation time equal to or less than 200 s, and more particularly, a relaxation time equal to or less than 100 s, and more particularly, a relaxation time equal to or less than 50 s, and more particularly, a relaxation time equal to or less than 30 s. In this context, the weakly viscoelastic jet is obtained without significantly modifying the composition of the working liquid.
En otras realizaciones preferentes de la invención, la corriente de gas es una corriente de gas inerte. Ejemplos de corriente de gas inerte son una corriente de aire seco y libre de impurezas, o una corriente de helio, o una corriente de nitrógeno. Con ello, se evita la degradación del polímero de la disolución polimérica diluida empleada como líquido de trabajo. In other preferred embodiments of the invention, the gas stream is an inert gas stream. Examples of an inert gas stream are a stream of dry, impurity-free air, or a stream of helium, or a stream of nitrogen. This prevents polymer degradation in the dilute polymer solution used as the working liquid.
En otras realizaciones preferentes de la invención, la presión (pc) aguas abajo del orificio de descarga es menor que 0,1 bar, y más particularmente menor que 0,01 bar, y la presión de remanso (p0) en la zona convergente es mayor que 10 veces la presión (pc) aguas abajo del orificio de descarga, y más particularmente mayor que 50 veces la presión (pc) aguas abajo del orificio de descarga. Ello permite que la velocidad de la corriente de gas aguas abajo del orificio de descarga sea igual o mayor que la velocidad del sonido, manteniendo una presión (pc) baja aguas abajo del orificio de descarga, eliminando así mismo la necesidad de mantener una presión de remanso (p0) alta en la zona convergente. Una presión (pc) baja aguas abajo del orificio de descarga es beneficiosa, ya que se evitan fenómenos de inestabilidad absoluta de látigo. Adicionalmente, el líquido de trabajo sufre un flujo extensional intenso cerca de la superficie del menisco, que conlleva una tasa de deformación en la zona de formación del menisco compatible con la activación de la transición helicoidal-estirado del polímero de la disolución polimérica. Asimismo, dicho flujo extensional intenso da lugar a un retraso en la relajación de los esfuerzos elásticos aguas abajo del orificio de descarga. In other preferred embodiments of the invention, the pressure (pc) downstream of the discharge orifice is less than 0.1 bar, and more particularly less than 0.01 bar, and the stagnation pressure (p0) in the convergent zone is greater than 10 times the pressure (pc) downstream of the discharge orifice, and more particularly greater than 50 times the pressure (pc) downstream of the discharge orifice. This allows the velocity of the gas stream downstream of the discharge orifice to be equal to or greater than the speed of sound, maintaining a low pressure (pc) downstream of the discharge orifice, thus eliminating the need to maintain a high stagnation pressure (p0) in the convergent zone. A low pressure (pc) downstream of the discharge orifice is beneficial, since absolute whip instability phenomena are avoided. In addition, the working liquid experiences an intense extensional flow near the meniscus surface, which leads to a deformation rate in the meniscus formation zone compatible with the activation of the helical-stretch transition of the polymer solution. Furthermore, this intense extensional flow causes a delay in the relaxation of the elastic stresses downstream of the discharge orifice.
En otras realizaciones preferentes de la invención, el orificio de descarga tiene un diámetro comprendido entre 20 y 250 ^m, y la separación entre la sección de salida de la superficie interior del capilar interno y el orificio de descarga está entre 0,5 y 5 veces el diámetro del orificio de descarga. Ello permite que, ventajosamente, se alcancen velocidades transónicas de la corriente de gas con unos rangos de presiones aceptables, de manera que el resultante flujo extensional intenso de líquido de trabajo en la zona de formación del menisco da lugar a una tasa de deformación compatible con la activación de la transición de helicoidal-estirado del polímero de la disolución polimérica. Además, dicho flujo extensional intenso da lugar a un retraso en la relajación de los esfuerzos elásticos aguas abajo del orificio de descarga. In other preferred embodiments of the invention, the discharge orifice has a diameter between 20 and 250 µm, and the separation between the outlet section of the inner surface of the inner capillary and the discharge orifice is between 0.5 and 5 times the diameter of the discharge orifice. This advantageously allows transonic velocities of the gas stream to be achieved with acceptable pressure ranges, such that the resulting intense extensional flow of working liquid in the meniscus formation zone gives rise to a deformation rate compatible with the activation of the helical-stretch transition of the polymer in the polymer solution. Furthermore, said intense extensional flow gives rise to a delay in the relaxation of the elastic stresses downstream of the discharge orifice.
En otras realizaciones preferentes de la invención, la zona convergente comprende una porción plana de placa, en la que está comprendida el orificio de descarga, de modo que la porción plana de placa se extiende de manera perpendicular al eje del capilar interno. Más preferentemente, la zona convergente se proporciona abierta al exterior, de modo que la presión de remanso (p0) en la zona convergente es la presión ambiente, mientras que la región aguas abajo del orificio de descarga comprende un receptáculo que comprende la porción plana de placa y unas paredes laterales que se disponen a una distancia de al menos 3 veces la anchura del orificio de descarga, y más preferentemente a una distancia de al menos 5 veces la anchura del orificio de descarga, de modo que se regula la presión (pc) aguas abajo del orificio de descarga para conseguir que la velocidad de la corriente de gas aguas abajo del orificio de descarga sea igual o mayor que la velocidad del sonido. Tal y como se ha indicado anteriormente, regulando la presión (pc) aguas abajo del orificio de descarga se evita más fácilmente que el menisco sufra una inestabilidad absoluta de látigo y, en consecuencia, se amplía el régimen de caudales compatibles con la emisión de un chorro estacionario de líquido de trabajo. In other preferred embodiments of the invention, the convergent zone comprises a flat plate portion, in which the discharge orifice is comprised, such that the flat plate portion extends perpendicularly to the axis of the inner capillary. More preferably, the convergent zone is provided open to the outside, such that the stagnation pressure (p0) in the convergent zone is the ambient pressure, while the region downstream of the discharge orifice comprises a receptacle comprising the flat plate portion and side walls which are arranged at a distance of at least 3 times the width of the discharge orifice, and more preferably at a distance of at least 5 times the width of the discharge orifice, such that the pressure (pc) downstream of the discharge orifice is regulated to achieve that the velocity of the gas stream downstream of the discharge orifice is equal to or greater than the speed of sound. As indicated above, regulating the pressure (pc) downstream of the discharge orifice more easily prevents the meniscus from suffering absolute whip instability and, consequently, expands the flow rate range compatible with the emission of a stationary jet of working liquid.
Otro objeto de la presente invención proporciona un método para realizar una cristalografía de femtosegundos en serie (en inglés, "Serial Femtosecond Crystallography” (SFX)) que comprende las etapas de un método de acuerdo con cualquiera de las realizaciones anteriores, donde el líquido de trabajo comprende una muestra, y el método comprende adicionalmente las etapas de radiar con pulsos de radiación de rayos X el chorro estacionario del líquido de trabajo que comprende la muestra, y procesar en un fotodetector la señal que resulta de la interacción entre los pulsos de radiación de rayos X y el chorro estacionario de líquido de trabajo que comprende la muestra. Típicamente, en SFX los pulsos de radiación de rayos X son muy cortos (de uno a cien femtosegundos). Ejemplos de muestras comprendidas en el líquido de trabajo serían, entre otros, micro- o nano-cristales de biomoléculas, grandes biomoléculas, bio-reactivos, virus o partes de células. En este contexto, puesto que la ruptura del chorro débilmente viscoelástico es considerablemente pospuesta con respecto al caso en el que el líquido de trabajo fuera un líquido Newtoniano, se permiten un marco de tiempo y una longitud de trabajo más extensos. Ello permite evitar fácilmente posibles interferencias (e.g., daños o salpicaduras) entre la radiación de rayos X y el dispositivo que produce el chorro débilmente viscoelástico. Por otra parte, la delgadez del chorro débilmente viscoelástico permite reducir el ruido de fondo presente en el patrón de difracción obtenido tras radiar el chorro de líquido de trabajo que contiene la muestra. Asimismo, puesto que el líquido de trabajo es una disolución polimérica diluida, la composición del líquido de trabajo no se ve afectada de forma significativa, de manera que el ruido de fondo presente en el patrón de difracción es bien conocido y/o simple de substraer, y por tanto la señal de la muestra puede ser identificada en dicho patrón de difracción. Another object of the present invention provides a method for performing serial femtosecond crystallography (SFX) comprising the steps of a method according to any of the previous embodiments, wherein the working liquid comprises a sample, and the method further comprises the steps of irradiating with pulses of X-ray radiation the stationary jet of the working liquid comprising the sample, and processing in a photodetector the signal resulting from the interaction between the pulses of X-ray radiation and the stationary jet of working liquid comprising the sample. Typically, in SFX the pulses of X-ray radiation are very short (from one to one hundred femtoseconds). Examples of samples comprised in the working liquid would be, among others, micro- or nano-crystals of biomolecules, large biomolecules, bio-reagents, viruses or parts of cells. In this context, since the breakup of the weakly viscoelastic jet is considerably postponed with respect to the case in which the working liquid comprises a sample, the method further comprises the steps of irradiating with pulses of X-ray radiation the stationary jet of the working liquid comprising the sample, and processing in a photodetector the signal resulting from the interaction between the pulses of X-ray radiation and the stationary jet of working liquid comprising the sample. Since the working liquid is a Newtonian liquid, a longer time frame and working length are allowed. This allows to easily avoid possible interferences (e.g., damage or splashes) between the X-ray radiation and the device producing the weakly viscoelastic jet. Furthermore, the thinness of the weakly viscoelastic jet allows to reduce the background noise present in the diffraction pattern obtained after irradiating the jet of working liquid containing the sample. Also, since the working liquid is a dilute polymer solution, the composition of the working liquid is not significantly affected, so that the background noise present in the diffraction pattern is well known and/or easy to subtract, and therefore the sample signal can be identified in said diffraction pattern.
Otro objeto de la presente invención proporciona un método para producir micropartículas que comprende las etapas de un método de acuerdo con cualquiera de las realizaciones anteriores, y adicionalmente las etapas de esperar a que el chorro estacionario del líquido de trabajo se rompa, y obtener micropartículas que resultan de la ruptura del chorro estacionario de líquido de trabajo. Típicamente, cuando el chorro estacionario de líquido de trabajo no se encuentra con un obstáculo aguas abajo del oficio de descarga (e.g., los límites de una cámara que delimite la región aguas abajo del oficio de descarga), las inestabilidades (e.g., inestabilidades de látigo, inestabilidades de tipo Gotas-en-una-Fibra o, en inglés, “Beads-on-a-String”) que sufre dicho chorro aguas abajo del oficio de descarga hacen que éste termine rompiéndose. Gracias a la considerable delgadez del chorro débilmente viscoelástico, las gotas/cápsulas que resultan de la ruptura de dicho chorro se forman con un tamaño considerablemente reducido, en comparación con el caso en el que el líquido de trabajo fuera un líquido Newtoniano. En este contexto, las gotas/cápsulas resultantes son aptas para producir micropartículas de estructuras complejas para una amplia gama de aplicaciones en farmacia, biomedicina e, incluso, la electrónica impresa. Another object of the present invention provides a method for producing microparticles comprising the steps of a method according to any of the preceding embodiments, and additionally the steps of waiting for the stationary jet of working liquid to break up, and obtaining microparticles resulting from the break up of the stationary jet of working liquid. Typically, when the stationary jet of working liquid does not encounter an obstacle downstream of the discharge nozzle (e.g., the boundaries of a chamber delimiting the region downstream of the discharge nozzle), instabilities (e.g., whip instabilities, Beads-on-a-String instabilities) suffered by said jet downstream of the discharge nozzle cause it to eventually break up. Due to the considerable thinness of the weakly viscoelastic jet, the droplets/capsules resulting from the jet breakup are formed with a considerably reduced size, compared to the case in which the working liquid was a Newtonian liquid. In this context, the resulting droplets/capsules are suitable for producing microparticles with complex structures for a wide range of applications in pharmacy, biomedicine and even printed electronics.
Otro objeto de la presente invención proporciona un método para producir microburbujas que comprende las etapas de un método de acuerdo con cualquiera de las realizaciones anteriores, y adicionalmente las etapas de Another object of the present invention provides a method for producing microbubbles comprising the steps of a method according to any of the preceding embodiments, and additionally the steps of
proporcionar uno o más capilares adicionales, dispuestos en el interior del capilar interno y concéntricos a dicho capilar interno, extendiéndose cada capilar adicional a lo largo del mismo eje, teniendo cada capilar adicional una superficie interior con una sección de entrada y una sección de salida perpendicular al eje y teniendo también una superficie exterior, providing one or more additional capillaries, arranged within the inner capillary and concentric to said inner capillary, each additional capillary extending along the same axis, each additional capillary having an inner surface with an inlet section and an outlet section perpendicular to the axis and also having an outer surface,
recibir en la sección de entrada de cada capilar adicional un caudal constante de un líquido de trabajo adicional, receiving a constant flow rate of an additional working liquid at the inlet section of each additional capillary,
formar microburbujas compuestas por cada líquido de trabajo adicional de cada uno de los capilares adicionales y por el líquido de trabajo del capilar interno, cuando cada líquido de trabajo adicional sale de cada capilar adicional y contacta con el líquido de trabajo que sale del capilar interno, form microbubbles composed of each additional working liquid from each of the additional capillaries and the working liquid from the inner capillary, when each additional working liquid exits each additional capillary and contacts the working liquid exiting the inner capillary,
esperar a que el chorro estacionario del líquido de trabajo se rompa, y obtener las microburbujas tras la ruptura del chorro estacionario de líquido de trabajo. wait for the stationary jet of working liquid to break, and obtain the microbubbles after the stationary jet of working liquid breaks.
El uso de capilares adicionales concéntricos para obtener microburbujas se conoce en otros campos de la técnica, como se puede ver por ejemplo en el documento US 2003/098021 A1. Ventajosamente, este tipo de disposiciones, combinadas con las condiciones definidas en el aspecto más general de la presente invención, permiten la obtención de microburbujas mucho más pequeñas. Típicamente, estas microburbujas son cápsulas formadas por un fluido exterior y un fluido interior aptas para una amplia gama de aplicaciones en farmacia y biomedicina. The use of additional concentric capillaries to obtain microbubbles is known in other fields of the art, as can be seen for example in document US 2003/098021 A1. Advantageously, this type of arrangement, combined with the conditions defined in the most general aspect of the present invention, allows obtaining much smaller microbubbles. Typically, these microbubbles are capsules formed by an outer fluid and an inner fluid suitable for a wide range of applications in pharmacy and biomedicine.
Otro objeto de la presente invención se refiere al compuesto polimérico obtenido del chorro estacionario producido por un método de acuerdo con cualquiera de las realizaciones anteriores. Dicho compuesto polimérico presenta ventajosamente una configuración estirada caracterizada por un tiempo de relajación hacia la configuración de equilibrio, donde dicho tiempo de relajación es mayor que el respectivo tiempo de relajación que caracteriza al polímero de la disolución polimérica originalmente recibida en la sección de entrada del capilar interno. En la obtención de dicho compuesto polimérico, las condiciones experimentadas por el líquido de trabajo en la zona de formación del menisco pueden dar lugar a un cierto entrelazamiento y/o autoensamblaje de los polímeros estirados. Another object of the present invention relates to the polymeric compound obtained from the stationary jet produced by a method according to any of the previous embodiments. Said polymeric compound advantageously presents a stretched configuration characterized by a relaxation time towards the equilibrium configuration, where said relaxation time is greater than the respective relaxation time characterizing the polymer of the polymeric solution originally received in the inlet section of the internal capillary. In obtaining said polymeric compound, the conditions experienced by the working liquid in the meniscus formation zone may give rise to a certain entanglement and/or self-assembly of the stretched polymers.
Otro objeto de la presente invención se refiere a un dispositivo de focalización gaseosa de fluidos adecuado para realizar las etapas de un método de acuerdo con una realización del primer aspecto inventivo, comprendiendo el dispositivo Another object of the present invention relates to a gaseous fluid focusing device suitable for carrying out the steps of a method according to an embodiment of the first inventive aspect, the device comprising
una cámara de descarga que delimita una región de descarga, a discharge chamber delimiting a discharge region,
un eyector dispuesto dentro de la cámara de descarga, comprendiendo el eyector una zona convergente que comprende una sección de recepción y un orificio de descarga abierto a la región de descarga, estando configurada la zona convergente para recibir en la sección de recepción una corriente de gas y para descargar dicha corriente de gas aguas abajo del orificio de descarga, an ejector disposed within the discharge chamber, the ejector comprising a convergent zone comprising a receiving section and a discharge orifice open to the discharge region, the convergent zone being configured to receive in the receiving section a gas stream and to discharge said gas stream downstream of the discharge orifice,
donde where
el eyector comprende adicionalmente un capilar interno dispuesto en el interior de la zona de descarga, extendiéndose el capilar interno a lo largo de un eje, teniendo el capilar interno una superficie interior con una sección de entrada configurada para recibir un caudal constante de líquido de trabajo y una sección de salida perpendicular al eje y teniendo también una superficie exterior en contacto con la corriente de gas, de modo que existe una zona de formación de menisco entre la sección de salida de la superficie interior y el orificio de descarga, The ejector further comprises an inner capillary disposed within the discharge zone, the inner capillary extending along an axis, the inner capillary having an inner surface with an inlet section configured to receive a constant flow rate of working liquid and an outlet section perpendicular to the axis and also having an outer surface in contact with the gas stream, such that a meniscus-forming zone exists between the outlet section of the inner surface and the discharge orifice,
comprendiendo el dispositivo unos medios para regular la presión de remanso (p0) en la zona convergente y/o unos medios para regular la presión (pc) en la cámara de descarga, para conseguir que la velocidad de la corriente de gas aguas abajo del orificio de descarga sea igual o mayor que la velocidad del sonido. the device comprising means for regulating the stagnation pressure (p0) in the convergent zone and/or means for regulating the pressure (pc) in the discharge chamber, to ensure that the speed of the gas stream downstream of the discharge orifice is equal to or greater than the speed of sound.
Un último objeto de la presente invención se refiere a un dispositivo de focalización gaseosa de fluidos adecuado para realizar las etapas de un método de acuerdo con una realización preferente del primer aspecto inventivo, comprendiendo el dispositivo A final object of the present invention relates to a gaseous fluid focusing device suitable for carrying out the steps of a method according to a preferred embodiment of the first inventive aspect, the device comprising
un capilar interno, extendiéndose el capilar interno a lo largo de un eje, teniendo el capilar interno una superficie interior con una sección de entrada configurada para recibir un caudal constante de líquido de trabajo y una sección de salida perpendicular al eje y teniendo también una superficie exterior, an inner capillary, the inner capillary extending along an axis, the inner capillary having an inner surface with an inlet section configured to receive a constant flow rate of working liquid and an outlet section perpendicular to the axis and also having an outer surface,
una cámara de descarga que delimita una región de descarga, comprendiendo la cámara de descarga un plano de descarga con un orificio de descarga de modo que el eje del capilar interno atraviesa el orificio de descarga, a discharge chamber delimiting a discharge region, the discharge chamber comprising a discharge plane with a discharge orifice such that the axis of the inner capillary passes through the discharge orifice,
donde where
las paredes laterales de la cámara de descarga se disponen a una distancia del orificio de descarga de al menos 3 veces la anchura del orificio de descarga, y más preferentemente a una distancia del orificio de descarga de al menos 5 veces la anchura del orificio de descarga, the side walls of the discharge chamber are arranged at a distance from the discharge opening of at least 3 times the width of the discharge opening, and more preferably at a distance from the discharge opening of at least 5 times the width of the discharge opening,
el plano de descarga se extiende de manera perpendicular al eje del capilar interno, de modo que existe una zona de formación de menisco entre la sección de salida de la superficie interior del capilar interno y el orificio de descarga, y The discharge plane extends perpendicular to the axis of the inner capillary, so that there is a meniscus forming area between the outlet section of the inner surface of the inner capillary and the discharge orifice, and
el dispositivo comprende unos medios para regular la presión (pc) aguas abajo del orificio de descarga, para conseguir que la velocidad de la corriente de gas aguas abajo del orificio de descarga sea igual o mayor que la velocidad del sonido. The device comprises means for regulating the pressure (pc) downstream of the discharge orifice, to ensure that the speed of the gas stream downstream of the discharge orifice is equal to or greater than the speed of sound.
DESCRIPCION DE LOS DIBUJOSDESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Para completar la descripción y con el propósito de ayudar a una mejor comprensión de la invención, se dispone un conjunto de dibujos. Dichos dibujos forman una parte integral de la descripción e ilustran diferentes realizaciones de la presente invención y datos relacionados con dichas realizaciones, las cuales no deben interpretarse como restrictivas del alcance de la invención, sino como ejemplos de cómo se puede llevar a cabo la invención. Los dibujos adjuntos comprenden específicamente las siguientes figuras: To complete the description and for the purpose of assisting a better understanding of the invention, a set of drawings is provided. These drawings form an integral part of the description and illustrate different embodiments of the present invention and data related to said embodiments, which should not be construed as restricting the scope of the invention, but as examples of how the invention can be carried out. The attached drawings specifically comprise the following figures:
La Fig. 1 muestra los elementos que comprenden un primer dispositivo de focalización gaseosa de fluidos. Fig. 1 shows the elements comprising a first gaseous fluid focusing device.
La Fig. 2 muestra los elementos que comprenden un eyector configurado para implementar un método de focalización gaseosa de fluidos. Fig. 2 shows the elements comprising an ejector configured to implement a gaseous fluid focusing method.
La Fig. 3 muestra el tiempo de relajación A* en función de la concentración de polímero de dos disoluciones poliméricas que pueden ser usadas como líquido de trabajo en un eyector como el de la Fig. 2. Fig. 3 shows the relaxation time A* as a function of polymer concentration of two polymer solutions that can be used as working fluid in an ejector like the one in Fig. 2.
La Fig. 4 muestra el caudal mínimo adimensional 0 como función del número de Weissenberg Wi en la zona de formación del menisco de un eyector como el de la Fig. 2, en el caso de dos disoluciones poliméricas con diferentes concentraciones. Fig. 4 shows the minimum dimensionless flow rate 0 as a function of the Weissenberg number Wi in the meniscus formation zone of an ejector like the one in Fig. 2, in the case of two polymer solutions with different concentrations.
La Fig. 5 muestra las formas del menisco formado en un eyector como el de la Fig. 2 con diferentes disoluciones poliméricas, sólo una de ellas perteneciente a la presente invención (b1), y con sus respectivas contrapartidas Newtonianas. Fig. 5 shows the shapes of the meniscus formed in an ejector like the one in Fig. 2 with different polymeric solutions, only one of them belonging to the present invention (b1), and with their respective Newtonian counterparts.
La Fig. 6 muestra la longitud del menisco y el diámetro del chorro en el orificio de descarga como función del caudal de líquido de trabajo, para una disolución polimérica de acuerdo con diferentes realizaciones de la presente invención, y para su correspondiente contrapartida Newtoniana, en un eyector como el de la Fig.2. Fig. 6 shows the meniscus length and jet diameter at the discharge orifice as a function of the working liquid flow rate, for a polymeric solution according to different embodiments of the present invention, and for its corresponding Newtonian counterpart, in an ejector like that of Fig. 2.
La Fig. 7 muestra el diámetro del chorro emitido aguas abajo del orificio de descarga por un eyector como el de la Fig.2, como función de la distancia desde el orificio de descarga (gráfico izquierdo), y como función del tiempo de vuelo del chorro aguas abajo del orificio de descarga (gráfico derecho), para dos disoluciones poliméricas. Fig. 7 shows the diameter of the jet emitted downstream of the discharge orifice by an ejector such as that in Fig. 2, as a function of the distance from the discharge orifice (left graph), and as a function of the time of flight of the jet downstream of the discharge orifice (right graph), for two polymer solutions.
La Fig. 8 muestra el cociente entre la longitud del chorro emitido por un eyector como el de la Fig. 2 y do, como función del cociente entre el caudal de líquido de trabajo y Qo, para dos disoluciones poliméricas y distintas presiones de remanso en la zona convergente, de acuerdo con diferentes realizaciones de la presente invención. Fig. 8 shows the ratio between the length of the jet emitted by an ejector such as that in Fig. 2 and do, as a function of the ratio between the working liquid flow rate and Qo, for two polymeric solutions and different stagnation pressures in the convergent zone, according to different embodiments of the present invention.
La Fig. 9 muestra el caudal mínimo de líquido de trabajo, el diámetro del chorro en el orificio de descarga al caudal mínimo de líquido de trabajo, y la longitud del menisco al caudal mínimo de líquido de trabajo, en un eyector como el de la Fig. 2, para una disolución polimérica como función de la concentración de polímero, y para su respectiva contrapartida Newtoniana y agua. Fig. 9 shows the minimum working liquid flow rate, the jet diameter at the discharge orifice at the minimum working liquid flow rate, and the meniscus length at the minimum working liquid flow rate, in an ejector like the one in Fig. 2, for a polymer solution as a function of polymer concentration, and for its respective Newtonian counterpart and water.
La Fig. 10 muestra el caudal mínimo de líquido de trabajo y el diámetro del chorro en el orificio de descarga al caudal mínimo de líquido de trabajo, en un eyector como el de la Fig. 2, como función de la concentración de polímero para disoluciones poliméricas de un mismo polímero y distintos pesos moleculares. Fig. 10 shows the minimum working liquid flow rate and the jet diameter at the discharge orifice at the minimum working liquid flow rate, in an ejector like the one in Fig. 2, as a function of the polymer concentration for polymer solutions of the same polymer and different molecular weights.
La Fig. 11 muestra los elementos que comprenden un segundo dispositivo de focalización gaseosa de fluidos diferente al de la Fig. 1. Fig. 11 shows the elements comprising a second gaseous fluid focusing device different from that in Fig. 1.
Referencias numéricas utilizadas en las figuras: Numerical references used in the figures:
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
En esta sección, se proporcionan una descripción de varios ejemplos no limitativos del método de la invención. Como se ha mencionado anteriormente, la presente invención se refiere a un método de producción de chorros débilmente viscoelásticos y altamente estables mediante focalización gaseosa de fluidos transónica. In this section, a description of several non-limiting examples of the method of the invention is provided. As mentioned above, the present invention relates to a method of producing highly stable, weakly viscoelastic jets by transonic gaseous fluid focusing.
La Fig. 1 muestra un primer dispositivo de focalización gaseosa de fluidos 1 (en inglés, "gaseous flow focusing”, o GFF) de acuerdo con una realización preferente de la invención. Dicho dispositivo de GFF 1 comprende una cámara de descarga 2 (e.g., una celda de cristal) que delimita una región de descarga 3 a una presión pc (e.g., fijada a una presión menor que 0,1 bar mediante medios de succión, como una bomba 4), y un eyector 5 dispuesto dentro de la cámara de descarga 2. Fig. 1 shows a first gaseous flow focusing (GFF) device 1 according to a preferred embodiment of the invention. Said GFF device 1 comprises a discharge chamber 2 (e.g., a glass cell) delimiting a discharge region 3 at a pressure pc (e.g., set to a pressure less than 0.1 bar by suction means, such as a pump 4), and an ejector 5 arranged inside the discharge chamber 2.
La Fig. 2 muestra un ejemplo de eyector 5 utilizado en ese primer dispositivo de GFF 1. Dicho eyector 5 comprende: Fig. 2 shows an example of ejector 5 used in that first GFF device 1. Said ejector 5 comprises:
una zona convergente 6 a una presión de remanso p0 que comprende una sección de recepción 7 y un orificio de descarga 8 abierto a la región de descarga 3; a convergent zone 6 at a stagnation pressure p0 comprising a receiving section 7 and a discharge orifice 8 open to the discharge region 3;
un capilar interno 9 dispuesto en el interior de la zona convergente 6, extendiéndose dicho capilar interno 9 a lo largo de un eje, y donde dicho capilar interno 9 tiene una superficie interior 10 con una sección de entrada 11 y una sección de salida 12 perpendicular al eje, y tiene también una superficie exterior 13. an internal capillary 9 arranged inside the convergent zone 6, said internal capillary 9 extending along an axis, and where said internal capillary 9 has an inner surface 10 with an inlet section 11 and an outlet section 12 perpendicular to the axis, and also has an outer surface 13.
Adicionalmente, existe una zona de formación del menisco 14 entre la sección de salida 12 de la superficie interior 10 del capilar interno 9 y el orificio de descarga 8 de la zona convergente 6. Additionally, there is a meniscus forming zone 14 between the outlet section 12 of the inner surface 10 of the inner capillary 9 and the discharge orifice 8 of the convergent zone 6.
La zona convergente 6 del eyector 5 está configurada para recibir una corriente de gas 15 en la sección de recepción 7 y para descargar dicha corriente de gas 15 aguas abajo del orificio de descarga 8. Aquí, la corriente de gas 15 empleada es una corriente de aire seco y libre de impurezas. Asimismo, la sección de entrada 11 de la superficie interior 10 del capilar interno 9 del eyector 5 está configurada para recibir un líquido de trabajo 16 a un caudal Q constante. Tanto la corriente de gas 15 como el líquido de trabajo 16 pueden ser suministrados al eyector 5, por ejemplo, por medio de válvulas. The converging zone 6 of the ejector 5 is configured to receive a gas stream 15 in the receiving section 7 and to discharge said gas stream 15 downstream of the discharge orifice 8. Here, the gas stream 15 employed is a stream of dry, impurity-free air. Also, the inlet section 11 of the inner surface 10 of the inner capillary 9 of the ejector 5 is configured to receive a working liquid 16 at a constant flow rate Q. Both the gas stream 15 and the working liquid 16 can be supplied to the ejector 5, for example, by means of valves.
Por otro lado, la relación entre la presión de remanso p0 en la zona convergente 6 y la presión pc aguas abajo del orificio de descarga 8 es al menos la necesaria para que la velocidad de la corriente de gas 15 aguas abajo del orificio de descarga 8 sea igual o mayor que la velocidad del sonido. Con respecto al establecimiento de dichas presiones, por ejemplo, la presión de remanso p0 en la zona convergente 6 se puede establecer aguas arriba con un regulador de presión de la línea de aire comprimido para presiones manométricas positivas, y estrangulando el flujo que viene de la atmósfera con una válvula para presiones manométricas negativas, mientras que la presión pc más allá del orificio de descarga 8 puede ser fijada a una presión menor que 0,1 bar mediante la extracción del gas de la cámara de descarga 2 utilizando una bomba 4 de vacío. On the other hand, the ratio between the stagnation pressure p0 in the convergent zone 6 and the pressure pc downstream of the discharge orifice 8 is at least that necessary for the velocity of the gas stream 15 downstream of the discharge orifice 8 to be equal to or greater than the speed of sound. With regard to the establishment of said pressures, for example, the stagnation pressure p0 in the convergent zone 6 can be established upstream with a pressure regulator of the compressed air line for positive gauge pressures, and by throttling the flow coming from the atmosphere with a valve for negative gauge pressures, while the pressure pc beyond the discharge orifice 8 can be set at a pressure lower than 0.1 bar by extracting the gas from the discharge chamber 2 using a vacuum pump 4.
Adicionalmente, el eyector 5 está configurado para implementar el paso de formar un menisco 17 de líquido de trabajo 16 en la zona de formación del menisco 14 cuando el líquido de trabajo 16 sale del capilar interno 9 y contacta con la corriente de gas 15 transónica, ejerciendo una tasa de deformación s- en el líquido de trabajo 16, dando lugar el menisco 17 a un chorro 18 estacionario de líquido de trabajo 16 que se emite desde el menisco 17 al orificio de descarga 8. Additionally, the ejector 5 is configured to implement the step of forming a meniscus 17 of working liquid 16 in the meniscus forming zone 14 when the working liquid 16 exits the internal capillary 9 and contacts the transonic gas stream 15, exerting a strain rate s- on the working liquid 16, the meniscus 17 giving rise to a stationary jet 18 of working liquid 16 that is emitted from the meniscus 17 to the discharge orifice 8.
En el eyector 5 de la Fig. 2, tanto la sección de entrada 11 como la sección de salida 12 de la superficie interior 10 del capilar interno 9 tienen el mismo diámetro Dn, de manera que el líquido de trabajo 16 recibido a un caudal constante Q no es acelerado dentro del capilar interno 9. En concreto, el diámetro Dn del capilar interno 9 igual a 75 .^m. Por otro lado, el orificio de descarga 8 tiene un diámetro D igual a 75 .^m, y la separación H entre la sección de salida 12 superficie interior 10 del capilar interno 9 y el orificio de descarga 8 tiene un tamaño igual a 180 ^m. In the ejector 5 of Fig. 2, both the inlet section 11 and the outlet section 12 of the inner surface 10 of the inner capillary 9 have the same diameter Dn, so that the working liquid 16 received at a constant flow rate Q is not accelerated within the inner capillary 9. Namely, the diameter Dn of the inner capillary 9 equals 75 .^m. On the other hand, the discharge orifice 8 has a diameter D equal to 75 .^m, and the gap H between the outlet section 12 inner surface 10 of the inner capillary 9 and the discharge orifice 8 has a size equal to 180 ^m.
Otras longitudes han sido ilustradas adicionalmente en la Fig.2, las cuales caracterizan la zona de formación del menisco 14 y el chorro 18 estacionario de líquido de trabajo 16. Éstas son la longitud lm del menisco 17, el diámetro de del chorro 18 en el orificio de descarga 8, y el diámetro dl de la sección del menisco 17. Aquí se define la longitud lm del menisco 17 como la distancia desde la sección de salida 12 de la superficie interior 10 del capilar interno 9, hasta la sección en la que el diámetro del chorro 18 ha alcanzado el ochenta por ciento de su reducción total (Dn - de). Equivalentemente, el diámetro dl de la sección del menisco 17 se define como la distancia igual a la suma del veinte por ciento de la reducción total (Dn - de) del diámetro del chorro 18 y el diámetro de del chorro 18 en el orificio de descarga 8. Other lengths have been further illustrated in Fig. 2, which characterize the formation zone of the meniscus 14 and the stationary jet 18 of working liquid 16. These are the length lm of the meniscus 17, the diameter of the jet 18 at the discharge orifice 8, and the diameter dl of the section of the meniscus 17. Here the length lm of the meniscus 17 is defined as the distance from the outlet section 12 of the inner surface 10 of the inner capillary 9, to the section where the diameter of the jet 18 has reached eighty percent of its total reduction (Dn - de). Equivalently, the diameter dl of the section of the meniscus 17 is defined as the distance equal to the sum of twenty percent of the total reduction (Dn - de) of the diameter of the jet 18 and the diameter of the jet 18 at the discharge orifice 8.
Ventajosamente, el líquido de trabajo 16 de la Fig. 2 es una disolución polimérica diluida cuyo polímero incrementa ligeramente la viscosidad y la elasticidad de dicha disolución polimérica, donde la elasticidad está caracterizada por un tiempo de relajación A* bajo, el cual crece cuando aumenta la concentración c del polímero en dicha disolución polimérica. De aquí en adelante, un tiempo de relajación Ar bajo se refiere a un tiempo de relajación menor que 30 .^s, y el peso molecular Mw del polímero es menor que 1x106 g/mol. Adicionalmente, la concentración de dicha disolución polimérica es lo suficientemente elevada como para que existan esfuerzos elásticos que participan en la estabilización del flujo de líquido de trabajo 16 en la zona de formación del menisco 14. Dicha disolución polimérica puede prepararse disolviendo el polímero en agua desionizada con un agitador magnético durante 1 a 10 días a bajas velocidades angulares, para minimizar la degradación mecánica de las cadenas de polímeros. De aquí en adelante, el polímero empleado es óxido de polietileno (PEO). Advantageously, the working liquid 16 of Fig. 2 is a dilute polymer solution whose polymer slightly increases the viscosity and elasticity of said polymer solution, where the elasticity is characterized by a low relaxation time A*, which grows when the concentration c of the polymer in said polymer solution increases. Hereinafter, a low relaxation time Ar refers to a relaxation time less than 30 s, and the molecular weight Mw of the polymer is less than 1x106 g/mol. Additionally, the concentration of said polymer solution is high enough for elastic stresses to exist which participate in the stabilization of the flow of working liquid 16 in the formation zone of meniscus 14. Said polymer solution can be prepared by dissolving the polymer in deionized water with a magnetic stirrer for 1 to 10 days at low angular velocities, to minimize the mechanical degradation of the polymer chains. Hereinafter, the polymer used is polyethylene oxide (PEO).
Dadas las condiciones de la Fig. 2, una tasa de deformación s' es ejercida en el flujo de líquido de trabajo 16 en la zona de formación del menisco 14. Dicha tasa de deformación depende de la relación entre la presión de remanso po en la zona convergente 6 y la presión pc aguas abajo del orificio de descarga 8, de la geometría del capilar interno 9 y del caudal Q del líquido de trabajo 16. Given the conditions of Fig. 2, a deformation rate s' is exerted on the working liquid flow 16 in the meniscus formation zone 14. Said deformation rate depends on the relationship between the stagnation pressure po in the convergent zone 6 and the pressure pc downstream of the discharge orifice 8, on the geometry of the internal capillary 9 and on the flow rate Q of the working liquid 16.
Curiosamente, cuando una disolución polimérica está sometida a un flujo extensional que ejerce sobre la misma una tasa de deformación s', la respuesta elástica de la disolución polimérica está caracterizada por el tiempo de relajación Ar. En efecto, la intensidad de dicho flujo extensional al que está sometida la disolución polimérica se puede cuantificar a través del llamado número de Weissenberg (Wi), que es una cantidad adimensional definida como Wi = A* s'. De hecho, cuando el número de Weissenberg está por encima de 0,5, tiene lugar la transición helicoidal-estirado de los polímeros disueltos, esto es, la transición en la que los polímeros pasan de estar dispuestos en una configuración helicoidal aleatoria en equilibrio, a estar en una configuración estirada. Asimismo, el tiempo de relajación Ar aumenta cuando aumenta la concentración del polímero en una disolución polimérica diluida, debido a la interacción hidrodinámica (i.e., mediada por el flujo) entre los polímeros. De este modo, para una disolución polimérica dada, la tasa de deformación s' requerida para que la transición helicoidal-estirado tenga lugar disminuye a medida que aumenta la concentración del polímero en la disolución polimérica. Interestingly, when a polymer solution is subjected to an extensional flow that exerts on it a strain rate s', the elastic response of the polymer solution is characterized by the relaxation time Ar. Indeed, the intensity of said extensional flow to which the polymer solution is subjected can be quantified through the so-called Weissenberg number (Wi), which is a dimensionless quantity defined as Wi = A* s'. In fact, when the Weissenberg number is above 0.5, the helical-stretched transition of the dissolved polymers takes place, that is, the transition in which the polymers go from being arranged in a random helical configuration in equilibrium, to being in a stretched configuration. Likewise, the relaxation time Ar increases when the polymer concentration in a dilute polymer solution increases, due to the hydrodynamic interaction (i.e., mediated by the flow) between the polymers. Thus, for a given polymer solution, the strain rate s' required for the helical-stretch transition to take place decreases as the concentration of the polymer in the polymer solution increases.
Puesto que el líquido de trabajo 16 es una disolución polimérica diluida cuya viscosidad es aproximadamente constante ante esfuerzos de cizalla, existe un primer valor c1* para la concentración c de polímero en la disolución polimérica donde el respectivo número de Weissenberg es igual a 0,5 en la zona de formación del menisco 14. Since the working liquid 16 is a dilute polymer solution whose viscosity is approximately constant under shear stresses, there is a first value c1* for the polymer concentration c in the polymer solution where the respective Weissenberg number is equal to 0.5 in the zone of formation of the meniscus 14.
Basándonos en lo anterior, si la concentración c de polímero en la disolución polimérica está por debajo de c1* (esto es, por debajo del valor de concentración viscoelástica), entonces su respectivo número de Weissenberg en la zona de formación del menisco 14 estará por debajo de 0,5, o lo que es lo mismo, la tasa de deformación s' ejercida sobre el líquido de trabajo 16 en la zona de formación del menisco 14 está por debajo de la requerida para que tenga lugar la transición helicoidal-estirado de los polímeros de dicha disolución y, en consecuencia, la disolución se comportará como un líquido cuasi-Newtoniano. Based on the above, if the polymer concentration c in the polymer solution is below c1* (i.e., below the viscoelastic concentration value), then its respective Weissenberg number in the meniscus formation zone 14 will be below 0.5, or in other words, the deformation rate s' exerted on the working liquid 16 in the meniscus formation zone 14 is below that required for the helical-stretching transition of the polymers in said solution to take place and, consequently, the solution will behave as a quasi-Newtonian liquid.
Por otro lado, si dicha concentración c es igual o mayor que ci*, su respectivo número de Weissenberg es igual o mayor que 0,5 en la zona de formación del menisco 14, o lo que es lo mismo, la tasa de deformación s' ejercida sobre el líquido de trabajo 16 en la zona de formación del menisco 14 es igual o mayor que la requerida para que tenga lugar la transición helicoidal-estirado de los polímeros de dicha disolución y, en consecuencia, los esfuerzos elásticos son activados en el líquido de trabajo 16 en la zona de formación del menisco 14. Como resultado, dichos esfuerzos elásticos ayudan a estabilizar el flujo de líquido de trabajo 16 en la zona de formación del menisco 14, y se mantiene el régimen de chorro estacionario para caudales Q de líquido de trabajo 16 menores, en comparación con el caso en el que el líquido de trabajo 16 fuera un líquido Newtoniano. Y lo que es más importante, puesto que se requieren valores más bajos de caudal Q para producir un chorro 18 estacionario, se obtienen chorros 18 de menor diámetro en el orificio de descarga 8, comparado con el caso en el que el líquido de trabajo 16 fuera un líquido Newtoniano. On the other hand, if said concentration c is equal to or greater than ci*, its respective Weissenberg number is equal to or greater than 0.5 in the meniscus formation zone 14, or what is the same, the deformation rate s' exerted on the working liquid 16 in the meniscus formation zone 14 is equal to or greater than that required for the helical-stretch transition of the polymers of said solution to take place and, consequently, elastic stresses are activated in the working liquid 16 in the meniscus formation zone 14. As a result, said elastic stresses help to stabilize the flow of working liquid 16 in the meniscus formation zone 14, and the stationary jet regime is maintained for lower working liquid 16 flow rates Q, compared to the case in which the working liquid 16 was a Newtonian liquid. And more importantly, since lower values of flow rate Q are required to produce a stationary jet 18, jets 18 with smaller diameter are obtained at the discharge orifice 8, compared to the case where the working liquid 16 was a Newtonian liquid.
La Fig. 3 muestra el tiempo de relajación A* medido (en .^s, medido con un reómetro extensional) como función de la concentración c (en % en peso) para dos ejemplos de disoluciones acuosas de PEO, respectivamente con pesos moleculares de 0,1*106 g/mol (PEO100K) y 0,6*106 g/mol (PEO600K). Las líneas continuas representan los ajustes Ar = 26,18 c1,020 y Ar = 2707 c1,733 a los resultados experimentales para el PEO100K y PEO600K, respectivamente. Fig. 3 shows the measured relaxation time A* (in .^s, measured with an extensional rheometer) as a function of the concentration c (in wt%) for two example aqueous PEO solutions, respectively with molecular weights of 0.1*106 g/mol (PEO100K) and 0.6*106 g/mol (PEO600K). The solid lines represent the fits Ar = 26.18 c1,020 and Ar = 2707 c1,733 to the experimental results for PEO100K and PEO600K, respectively.
En el eyector 5 se puede, por ejemplo, establecer una presión de remanso p0 en la zona convergente 6 igual a 2,5 bar, y una presión pc aguas abajo del orificio de descarga 8 igual a 0,075 bar, e introducir en la sección de entrada 11 una disolución de PEO100K (PEO600K) con un caudal Q de 0,2 ml/h (0,4 ml/h). In the ejector 5, for example, a stagnation pressure p0 in the convergent zone 6 equal to 2.5 bar and a pressure pc downstream of the discharge orifice 8 equal to 0.075 bar can be established, and a PEO100K (PEO600K) solution can be introduced into the inlet section 11 at a flow rate Q of 0.2 ml/h (0.4 ml/h).
En este contexto, dadas las condiciones fijadas en el eyector 5 indicadas anteriormente, existirá un valor c1* de la concentración de PEO100K (PEO600K) para el cual el número de Weissenberg será igual a 0,5 en la zona de formación del menisco 14, esto es, un valor ci* de la concentración para el cual se activarán los efectos viscoelásticos en la zona de formación del menisco 14. Las líneas a trazos de la Fig. 3 indican este valor ci* y el respectivo tiempo de relajación A* de la disolución de PEO100K (PEO600K) con dicha concentración. En concreto, el valor c1* de la concentración de PEO100K (PEO600K) es de 0,78% en peso (0,048 % en peso) y su tiempo de relajación Ar asociado es 20,3 .^s (14,0 .^s). Por tanto, si en este contexto la concentración de estas disoluciones de PEO es igual o supera los valores c1* indicados por las líneas a trazos de la Fig. 3, entonces la transición helicoidal-estirado de los polímeros de cada disolución tendrá lugar en la zona de formación del menisco 14. In this context, given the conditions set in the ejector 5 indicated above, there will be a value c1* of the concentration of PEO100K (PEO600K) for which the Weissenberg number will be equal to 0.5 in the formation zone of the meniscus 14, that is, a value ci* of the concentration for which the viscoelastic effects will be activated in the formation zone of the meniscus 14. The dashed lines in Fig. 3 indicate this value ci* and the respective relaxation time A* of the solution of PEO100K (PEO600K) at said concentration. Specifically, the value c1* of the concentration of PEO100K (PEO600K) is 0.78% by weight (0.048% by weight) and its associated relaxation time Ar is 20.3 .^s (14.0 .^s). Therefore, if in this context the concentration of these PEO solutions is equal to or exceeds the c1* values indicated by the dashed lines in Fig. 3, then the helical-stretch transition of the polymers of each solution will take place in the meniscus formation zone 14.
Cabe destacar que los valores de caudal Q de líquido trabajo anteriormente citados (0,2 ml/h para el PEO100K y 0,4 ml/h para el PEO600K), se corresponden con los valores mínimos de caudal Qmin compatibles con la emisión de un chorro 18 estacionario en un eyector 5 con la geometría y las presiones definidas anteriormente. Si se utilizaran las mismas disoluciones de PEO con las concentraciones c1* de la Fig. 3 en dicho eyector 5, se seguirían observando efectos viscoelásticos con caudales Q mayores, aunque la situación más ventajosa se corresponde con estos mínimos valores de caudal Qmin, ya que en ese caso el diámetro del chorro 18 en el orificio de descarga 8 es el menor posible. Es más, estos diámetros son más pequeños que los alcanzados con líquidos Newtonianos. It should be noted that the above-mentioned working liquid flow rate Q values (0.2 ml/h for PEO100K and 0.4 ml/h for PEO600K) correspond to the minimum flow rate Qmin values compatible with the emission of a stationary jet 18 in an ejector 5 with the geometry and pressures defined above. If the same PEO solutions with the concentrations c1* of Fig. 3 were used in said ejector 5, viscoelastic effects would still be observed with higher flow rates Q, although the most advantageous situation corresponds to these minimum flow rate Qmin values, since in this case the diameter of the jet 18 at the discharge orifice 8 is the smallest possible. Moreover, these diameters are smaller than those achieved with Newtonian liquids.
Asimismo, dadas las condiciones fijadas anteriormente en el eyector 5, los valores c1* de las concentraciones de PEO de la Fig. 3 no se ven afectados por emplear distintos valores de presión de remanso p0 en la zona convergente 6 y de presión pc aguas abajo del orificio de descarga 8, siempre y cuando se cumplan las condiciones de presiones expuestas anteriormente para las que la velocidad de la corriente de gas 15 aguas abajo del orificio de descarga 8 sea al menos la velocidad del sonido. Also, given the conditions set above in ejector 5, the c1* values of the PEO concentrations in Fig. 3 are not affected by using different values of stagnation pressure p0 in convergent zone 6 and pressure pc downstream of discharge orifice 8, provided that the pressure conditions set out above are met for which the velocity of the gas stream 15 downstream of discharge orifice 8 is at least the speed of sound.
Una vez se ha explicado el valor c1*, existe un segundo valor c2*, el cual también es relevante. Este segundo valor c2* se corresponde con la concentración a la que tiene lugar el efecto de extracción en la sección de salida 12 de la superficie interior 10 del capilar interno 9. Así, por encima del segundo valor c2* (esto es, por encima del valor de concentración de extracción), la triple línea de contacto del menisco 17 se mueve de manera irregular dentro del capilar interno 9, se pierde la simetría y tanto el menisco 17 como el chorro 18 en el orificio de descarga 8 tienden a sufrir inestabilidades de látigo. Por ello, para evitar tales inestabilidades, la disolución polimérica tiene que tener una concentración c de polímero que, además de ser mayor que ci*, es menor que el segundo valor c2*, de manera que se evita el efecto de extracción en la sección de salida 12 de la superficie interior 10 del capilar interno 9. Este valor c2* se corresponde con un número de Weissenberg igual a 10 en la zona de formación del menisco 14 del eyector 5 de la Fig. 2. En concreto, dadas las condiciones geométricas del eyector 5 definidas anteriormente, y para una presión de remanso p0 en la zona convergente 6 igual a 2,5 bar, y una presión pc aguas abajo del orificio de descarga 8 igual a 0,075 bar, el valor c2* de concentración de extracción es igual a 1,13% en peso (0,071 % en peso) para el PEO100K (PEO600K). Curiosamente y al contrario que el valor c1*, el valor c2* puede aumentar para valores de la presión de remanso p0 en la zona convergente 6 más bajos. Esto se debe a que, como la inestabilidad de extracción resulta del desequilibrio entre la fuerza tensional originada por el flujo de tipo Poiseuille en el capilar interno 9, y aquella ejercida por el chorro 18 emitido, la variación de la presión de remanso p0 en la zona convergente 6 afecta a la distribución de la presión hidrostática a lo largo del eje del menisco 17. Once the value c1* has been explained, there is a second value c2*, which is also relevant. This second value c2* corresponds to the concentration at which the extraction effect takes place at the outlet section 12 of the inner surface 10 of the inner capillary 9. Thus, above the second value c2* (i.e. above the extraction concentration value), the triple contact line of the meniscus 17 moves irregularly within the inner capillary 9, symmetry is lost and both the meniscus 17 and the jet 18 at the discharge orifice 8 tend to suffer from whip instabilities. Therefore, in order to avoid such instabilities, the polymer solution must have a polymer concentration c which, in addition to being greater than ci*, is lower than the second value c2*, so as to avoid the extraction effect at the outlet section 12 of the inner surface 10 of the internal capillary 9. This value c2* corresponds to a Weissenberg number equal to 10 in the meniscus formation zone 14 of the ejector 5 of Fig. 2. Specifically, given the geometric conditions of the ejector 5 defined above, and for a stagnation pressure p0 in the convergent zone 6 equal to 2.5 bar, and a pressure pc downstream of the discharge orifice 8 equal to 0.075 bar, the extraction concentration value c2* is equal to 1.13% by weight (0.071% by weight) for PEO100K (PEO600K). Curiously, and contrary to the value c1*, the value c2* may increase for lower values of the stagnation pressure p0 in the convergent zone 6. This is because, as the extraction instability results from the imbalance between the tension force originated by the Poiseuille-type flow in the internal capillary 9, and that exerted by the emitted jet 18, the variation of the stagnation pressure p0 in the convergent zone 6 affects the distribution of the hydrostatic pressure along the axis of the meniscus 17.
La Fig. 4 muestra el caudal mínimo adimensional 0 como función del número de Weissenberg Wi en la zona de formación del menisco 14 del eyector 5 de la Fig. 2, en el caso de dos disoluciones poliméricas de PEO100K (círculos) y PEO600K (triángulos) con diferentes concentraciones. Las líneas continua (para el PEO100K) y a trazos (para el PEO600K) son guías para el ojo. La presión de remanso p0 en la zona convergente 6 es igual a 2,5 bar y la presión pc aguas abajo del orificio de descarga 8 es igual a 0,075 bar. Como se ha mencionado anteriormente, el número de Weissenberg Wi en la zona de formación del menisco 14 viene dado por el producto del tiempo de relajación A* de la respectiva disolución polimérica por la tasa de deformación s' ejercida sobre el líquido de trabajo 16 en la zona de formación del menisco 14, donde aquí dicha tasa de deformación s' viene dada por el cociente entre la velocidad vj del chorro 18 cerca de la punta menisco 17 y la longitud lm del menisco 17. Fig. 4 shows the minimum dimensionless flow rate 0 as a function of the Weissenberg number Wi in the meniscus formation zone 14 of the ejector 5 in Fig. 2 for two polymer solutions of PEO100K (circles) and PEO600K (triangles) with different concentrations. The solid (for PEO100K) and dashed (for PEO600K) lines are guides for the eye. The stagnation pressure p0 in the convergent zone 6 is equal to 2.5 bar and the pressure pc downstream of the discharge orifice 8 is equal to 0.075 bar. As mentioned above, the Weissenberg number Wi in the meniscus formation zone 14 is given by the product of the relaxation time A* of the respective polymer solution by the deformation rate s' exerted on the working liquid 16 in the meniscus formation zone 14, where here said deformation rate s' is given by the quotient between the speed vj of the jet 18 near the meniscus tip 17 and the length lm of the meniscus 17.
Por otro lado, el caudal mínimo adimensional 0 viene dado por una función definida a trozos. Cuando la concentración c de la disolución polimérica está por debajo del valor c1* de concentración viscoelástica, el caudal mínimo adimensional 0 viene dado por el número de Reynolds (Re), esto es, el cociente entre el caudal mínimo Qmin y el llamado caudal mínimo característico Q<d>de líquidos Newtonianos de baja viscosidad. En este contexto, este último viene dado por Q<d>= (Dn n)/P, donde Dn es el diámetro de la sección de salida 12 de la superficie interior 10 del capilar interno 9 definido anteriormente, n es la viscosidad de la disolución polimérica, y p es la densidad de la disolución polimérica. Asimismo, cuando la concentración c de la disolución polimérica está por encima del valor c1* de concentración viscoelástica, el caudal mínimo adimensional 0 viene dado por el número capilar (Ca), esto es, el cociente entre el caudal mínimo Qmin y el llamado caudal mínimo característico Qv de líquidos Newtonianos de alta viscosidad. En este contexto, este último viene dado por Qv = (Dn2 a)/ He, donde a es la tensión superficial de la disolución polimérica, y He es la viscosidad extensional de la disolución polimérica, que vine dada por He = (3 A* a)/ dl, donde dl es el diámetro de la sección del menisco 17 definido anteriormente. On the other hand, the dimensionless minimum flow rate 0 is given by a piecewise function. When the concentration c of the polymer solution is below the viscoelastic concentration value c1*, the dimensionless minimum flow rate 0 is given by the Reynolds number (Re), i.e. the ratio of the minimum flow rate Qmin to the so-called characteristic minimum flow rate Q<d>of low viscosity Newtonian liquids. In this context, the latter is given by Q<d>= (Dn n)/P, where Dn is the diameter of the outlet section 12 of the inner surface 10 of the internal capillary 9 defined above, n is the viscosity of the polymer solution, and p is the density of the polymer solution. Likewise, when the concentration c of the polymer solution is above the viscoelastic concentration value c1*, the dimensionless minimum flow rate 0 is given by the capillary number (Ca), i.e. the ratio of the minimum flow rate Qmin to the so-called characteristic minimum flow rate Qv of high viscosity Newtonian liquids. In this context, the latter is given by Qv = (Dn2 a)/ He, where a is the surface tension of the polymer solution, and He is the extensional viscosity of the polymer solution, which is given by He = (3 A* a)/ dl, where dl is the diameter of the meniscus section 17 defined above.
La Fig. 4 muestra que el caudal mínimo adimensional 0 es prácticamente constante y tiene un valor similar para ambas disoluciones cuando el número de Weissenberg Wi toma los valores más bajos. De hecho, este valor constante del caudal mínimo adimensional 0 es similar al de los líquidos Newtonianos de viscosidad baja. Por otro lado, cuando el número de Weissenberg Wi supera el valor de 0,5 (i.e., cuando la concentración c de polímero en la respectiva disolución polimérica es mayor que ci*), el valor del caudal mínimo adimensional 0 es drásticamente más reducido que para los valores más bajos del número de Weissenberg. Esto se debe a que la transición helicoidal-estirado tiene lugar en los polímeros de cada disolución en la zona de formación del menisco 14 y, en consecuencia, se activan los esfuerzos elásticos que colaboran en la estabilización del flujo de líquido de trabajo 16 en la zona de formación del menisco 14. Mientras el número de Weissenberg Wi se mantenga dentro del intervalo entre 0,5 y 10, el caudal mínimo adimensional 0 aumenta de manera similar en ambas disoluciones poliméricas a medida que aumenta el número de Weissenberg, y toma valores similares a los de los líquidos Newtonianos de viscosidad alta. En este aumento, cuando el número de Weissenberg alcanza el valor de 10, el valor del caudal mínimo adimensional 0 es igual al valor constante que tenía para los valores más bajos del número de Weissenberg. En este punto, la concentración c de cada disolución polimérica es igual a su respectivo valor c2*, esto es, el valor de concentración de extracción. Por tanto, a partir de este punto, el chorro 18 emitido es propenso a generar inestabilidades de látigo en el oficio de descarga 8. Fig. 4 shows that the dimensionless minimum flow rate 0 is practically constant and has a similar value for both solutions when the Weissenberg number Wi takes the lowest values. In fact, this constant value of the dimensionless minimum flow rate 0 is similar to that of low viscosity Newtonian liquids. On the other hand, when the Weissenberg number Wi exceeds the value of 0.5 (i.e., when the polymer concentration c in the respective polymer solution is higher than ci*), the value of the dimensionless minimum flow rate 0 is drastically lower than for the lowest values of the Weissenberg number. This is because the helical-stretching transition takes place in the polymers of each solution in the meniscus formation zone 14 and, consequently, elastic stresses are activated which collaborate in the stabilization of the working liquid flow 16 in the meniscus formation zone 14. As long as the Weissenberg number Wi remains within the range between 0.5 and 10, the dimensionless minimum flow rate 0 increases similarly in both polymer solutions as the Weissenberg number increases, and takes values similar to those of high viscosity Newtonian liquids. In this increase, when the Weissenberg number reaches the value of 10, the value of the dimensionless minimum flow rate 0 is equal to the constant value it had for the lowest values of the Weissenberg number. At this point, the concentration c of each polymer solution is equal to its respective c2* value, that is, the extraction concentration value. Therefore, from this point on, the emitted jet 18 is prone to generate whip instabilities in the discharge channel 8.
En este contexto, una disolución polimérica con una concentración c comprendida entre c1* y c2* se caracteriza por una notable contracción de la longitud lm del menisco 17, comparado con el caso en el que el líquido de trabajo 16 empleado en el eyector 5 fuera un líquido Newtoniano. In this context, a polymer solution with a concentration c between c1* and c2* is characterized by a notable contraction of the length lm of the meniscus 17, compared to the case in which the working liquid 16 used in the ejector 5 was a Newtonian liquid.
La Fig. 5 muestra las formas del menisco 17 formado un eyector 5 como el de la Fig. 2 con diferentes disoluciones de PEO100K y con sus respectivas contrapartidas Newtonianas. La presión de remanso p0 en la zona convergente 6 es igual a 2,5 bar y la presión pc aguas abajo del orificio de descarga 8 es igual a 0,075 bar. De aquí y en adelante, el término contrapartida Newtoniana se refiere a una disolución acuosa de glicerol (W/G) con un número de Ohnesorge (Oh) similar y un caudal Q igual al de la respectiva disolución polimérica. Los rectángulos rayados de la Fig. 5 marcan la sección de entrada 11 de la superficie interior 10 del capilar interno 9, mientras que las líneas blancas marcan la forma del menisco 17. Fig. 5 shows the shapes of the meniscus 17 formed by an ejector 5 like that in Fig. 2 with different PEO100K solutions and with their respective Newtonian counterparts. The stagnation pressure p0 in the convergent zone 6 is equal to 2.5 bar and the pressure pc downstream of the discharge orifice 8 is equal to 0.075 bar. From here on, the term Newtonian counterpart refers to an aqueous glycerol solution (W/G) with a similar Ohnesorge number (Oh) and a flow rate Q equal to that of the respective polymeric solution. The hatched rectangles in Fig. 5 mark the inlet section 11 of the inner surface 10 of the inner capillary 9, while the white lines mark the shape of the meniscus 17.
La Fig. 5 a1 (b1) muestra el menisco 17 formado con una disolución de PEO100K con concentración por debajo (encima) del respectivo valor c1* de concentración viscoelástica, esto es, por debajo (encima) de c1* = 0,78% en peso. Al mismo tiempo, las concentraciones en las Fig. 5 a1-b1 están por debajo del respectivo valor c2* de concentración de extracción, esto es c2* = 1,13% en peso. En concreto, la Fig. 5 a1 (b1) muestra el menisco 17 formado con una disolución de PEO100K con concentración c igual a 0,5% en peso (0,875% en peso), un caudal Q igual a 1,57 ml/h (1,38 ml/h) y un número de Ohnesorge Oh igual a 0,034 (0,046). Por otro lado, la Fig. 5 (a2) muestra el menisco 17 formado por la contrapartida Newtoniana de la disolución de PEO100K de la Fig. 5 a1 (b1), donde dicha contrapartida Newtoniana tiene una concentración c igual a 20% en peso (28% en peso) y un número de Ohnesorge Oh igual a 0,035 (0,048). En la disolución de PEO100K con la concentración c más baja y el caudal Q más bajo (Fig. 5 a1), se observa un comportamiento cuasi-Newtoniano, esto es, la forma del menisco 17 formado es similar al de su correspondiente contrapartida Newtoniana (Fig. 5 a2). Por otro lado, en la disolución de PEO100K de la Fig. 5 b1 con mayor/menor concentración/caudal, el menisco 17 está considerablemente contraído (i.e., la longitud lm del menisco ha decrecido), mientras que la triple línea de contacto de dicho menisco 17 permanece anclada a la sección de salida 12 de la superficie interior 10 del capilar interno 9. Además, la forma del menisco 17 de la disolución de PEO100K de la Fig. 5 b1 es notablemente diferente a la de su correspondiente contrapartida Newtoniana (Fig. 5 b2). Por tanto, puesto que las disoluciones de PEO100K y de W/G tienen un número de Ohnesorge Oh similar, la contracción del menisco 17 de PEO100K es atribuida a su elasticidad, esto es, dicha forma del menisco 17 se debe al comportamiento débilmente viscoelástico de la disolución de PEO100K. Esta contracción es causada por el flujo extensional intenso en la zona de formación del menisco 14, de manera que la velocidad del líquido de trabajo 16 se incrementa desde valores alrededor de 1 mm/s en la sección de salida 12 de la superficie interior 10 del capilar interno 9, hasta la velocidad vj del chorro 18 alrededor de 10 m/s cerca de la punta menisco 17. Este incremento agudo de la velocidad tiene lugar a lo largo de distancias lm alrededor de 100 .^m. Por tanto, la tasa de deformación s' = vj/lm resultante ejercida sobre el líquido de trabajo 16 en la zona de formación del menisco 14 es de alrededor de 105 s-1, esto es, por encima de la tasa de deformación requerida para que el número de Weissenberg sea mayor que 0,5 en la zona de formación del menisco 14, dado el tiempo de relajación A* correspondiente a la concentración de PEO100K de la disolución de la Fig. 5 b1 (véase la Fig. 3). Por ello, en la Fig. 5 b1 tiene lugar la transición helicoidal-estirado de los polímeros disueltos en la zona de formación del menisco 14. Los esfuerzos elásticos que surgen de esta transición colaboran con los ejercidos por la corriente de gas 15 transónica, empujando la disolución polimérica a través del orificio de descarga 8. La aceleración adicional resultante explica la contracción del menisco 17. Por ello, solamente la disolución polimérica de la Fig. 5 b1 forma parte de la presente invención. Fig. 5 a1 (b1) shows the meniscus 17 formed with a PEO100K solution with a concentration below (above) the respective viscoelastic concentration value c1*, i.e. below (above) c1* = 0.78% by weight. At the same time, the concentrations in Fig. 5 a1-b1 are below the respective extraction concentration value c2*, i.e. c2* = 1.13% by weight. In particular, Fig. 5 a1 (b1) shows the meniscus 17 formed with a PEO100K solution with a concentration c equal to 0.5% by weight (0.875% by weight), a flow rate Q equal to 1.57 ml/h (1.38 ml/h) and an Ohnesorge number Oh equal to 0.034 (0.046). On the other hand, Fig. 5 (a2) shows the meniscus 17 formed by the Newtonian counterpart of the PEO100K solution of Fig. 5 a1 (b1), where said Newtonian counterpart has a concentration c equal to 20% by weight (28% by weight) and an Ohnesorge number Oh equal to 0.035 (0.048). In the PEO100K solution with the lowest concentration c and the lowest flow rate Q (Fig. 5 a1), a quasi-Newtonian behavior is observed, that is, the shape of the meniscus 17 formed is similar to that of its corresponding Newtonian counterpart (Fig. 5 a2). On the other hand, in the PEO100K solution of Fig. 5 b1 with higher/lower concentration/flow rate, the meniscus 17 is considerably contracted (i.e., the meniscus length lm has decreased), while the triple contact line of said meniscus 17 remains anchored to the outlet section 12 of the inner surface 10 of the inner capillary 9. Furthermore, the shape of the meniscus 17 of the PEO100K solution of Fig. 5 b1 is remarkably different from that of its corresponding Newtonian counterpart (Fig. 5 b2). Therefore, since the PEO100K and W/G solutions have a similar Ohnesorge number Oh, the contraction of the PEO100K meniscus 17 is attributed to its elasticity, i.e., said shape of the meniscus 17 is due to the weakly viscoelastic behavior of the PEO100K solution. This contraction is caused by the intense extensional flow in the zone of formation of the meniscus 14, so that the velocity of the working liquid 16 increases from values of about 1 mm/s at the outlet section 12 of the inner surface 10 of the inner capillary 9, to the velocity vj of the jet 18 of about 10 m/s near the meniscus tip 17. This sharp increase in velocity takes place over distances lm of about 100 .^m. Therefore, the resulting strain rate s' = vj/lm exerted on the working liquid 16 in the meniscus formation zone 14 is about 105 s-1, that is, above the strain rate required for the Weissenberg number to be greater than 0.5 in the meniscus formation zone 14, given the relaxation time A* corresponding to the PEO100K concentration of the solution in Fig. 5 b1 (see Fig. 3). Therefore, in Fig. 5 b1 the helical-stretch transition of the dissolved polymers takes place in the formation zone of the meniscus 14. The elastic stresses arising from this transition collaborate with those exerted by the transonic gas stream 15, pushing the polymer solution through the discharge orifice 8. The resulting additional acceleration explains the contraction of the meniscus 17. Therefore, only the polymer solution in Fig. 5 b1 forms part of the present invention.
La Fig. 5 c muestra la forma del menisco 17 de una disolución de PEO100K con una concentración c igual a 1,25% en peso, esto es, por encima del valor de concentración de extracción respectivo para esta disolución (c2*=1,13% en peso). Ahí está teniendo lugar el efecto de extracción. En este caso, las grandes fuerzas tensionales que surgen en el menisco 17 hacen que éste se separe de la sección de salida 12 de la superficie interior 10 del capilar interno 9, de manera que la triple línea de contacto del menisco 17 se mueve hacia arriba sobre la superficie interior 10 del capilar interno 9. La posición final de dicha triple línea de contacto está determinada esencialmente por el balance entre la fuerza tensional originada por el flujo de tipo Poiseuille en el capilar interno 9, y aquella ejercida por el chorro 18 emitido. Como resultado, se observa en la Fig. 5 c que el chorro 18 tiende a hacerse inestable en el orificio de descarga 8. Fig. 5 c shows the shape of the meniscus 17 of a PEO100K solution with a concentration c equal to 1.25% by weight, i.e. above the respective extraction concentration value for this solution (c2*=1.13% by weight). This is where the extraction effect is taking place. In this case, the large tensional forces arising in the meniscus 17 cause it to separate from the outlet section 12 of the inner surface 10 of the inner capillary 9, so that the triple contact line of the meniscus 17 moves upwards on the inner surface 10 of the inner capillary 9. The final position of said triple contact line is essentially determined by the balance between the tensional force originated by the Poiseuille-type flow in the inner capillary 9, and that exerted by the emitted jet 18. As a result, it can be seen in Fig. 5 c that the jet 18 tends to become unstable at the discharge orifice 8.
Ventajosamente, cuando el líquido de trabajo 16 es una disolución polimérica con una concentración entre c1* y c2*, el flujo de líquido de trabajo 16 se estabiliza en la zona de formación del menisco 14 y el régimen de chorro estacionario se mantiene con caudales Q más bajos, en comparación con el caso en el que el líquido de trabajo 16 fuera un líquido Newtoniano. En consecuencia, puesto que caudales Q más bajos dan lugar a la emisión de un chorro 18 estacionario, se obtienen menores diámetros de del chorro en el orificio de descarga 8 comparado con el caso Newtoniano. Advantageously, when the working liquid 16 is a polymeric solution with a concentration between c1* and c2*, the flow of working liquid 16 is stabilized in the meniscus formation zone 14 and the steady jet regime is maintained at lower flow rates Q, compared to the case where the working liquid 16 was a Newtonian liquid. Consequently, since lower flow rates Q result in the emission of a steady jet 18, smaller jet diameters are obtained at the discharge orifice 8 compared to the Newtonian case.
La Fig. 6 muestra la longitud L del menisco 17 y el diámetro de del chorro 18 en el orificio de descarga 8 como función del caudal Q de líquido de trabajo 16, para una disolución de PEO100K de acuerdo con diferentes realizaciones de la presente invención, y para su correspondiente contrapartida Newtoniana, en un eyector 5 como el de la Fig. 2. Concretamente, la disolución de PEO100K tiene una concentración c igual a 0,875% en peso (i.e., entre los valores c1* y c2* correspondientes) y un número de Ohnesorge Oh igual a 0,046, mientras que su contrapartida Newtoniana tiene una concentración c igual a 28% en peso y un número de Ohnesorge Oh igual a 0,048. La presión de remanso p0 en la zona convergente 6 es igual a 2,5 bar y la presión pc aguas abajo del orificio de descarga 8 es igual a 0,075 bar. Como se muestra en la Fig. 6, aunque la longitud lm del menisco 17 decrece cuando el caudal Q decrece para ambas disoluciones, la longitud lm del menisco 17 es significativamente más corta en la disolución débilmente viscoelástica, y su decrecimiento es más pronunciado que para la contrapartida Newtoniana. Adicionalmente, el régimen de chorro estacionario se puede mantener para caudales Q significativamente más bajos en el caso débilmente viscoelástico. Lo que sucede es que, cuando el caudal Q decrece, la velocidad del chorro 18 cerca de la punta del menisco 17 crece. Por tanto, puesto que tiene lugar un mayor incremento de la velocidad del líquido de trabajo 16 en distancias más cortas (i.e., en longitudes lm del menisco 17 más cortas), crece la tasa de deformación s' ejercida sobre el líquido de trabajo 16 en la zona de formación del menisco 14. Este efecto intensifica la formación de los esfuerzos elásticos, lo cual explica por qué la contracción del menisco 17 se incrementa agudamente cuando el caudal Q decrece. Como consecuencia de ello, el flujo de líquido de trabajo 16 se estabiliza con caudales Q significativamente más bajos, comparado con el caso de un líquido de trabajo 16 Newtoniano, i.e., son requeridos caudales Q más bajos para evitar el goteo del chorro 18 emitido. Además, puesto que son requeridos caudales Q más bajos, se obtienen menores diámetros de del chorro 18 en el orificio de descarga 8 comparado con el caso Newtoniano, como se muestra en el gráfico inferior de la Fig.6. Fig. 6 shows the length L of the meniscus 17 and the diameter of the jet 18 at the discharge orifice 8 as a function of the flow rate Q of the working liquid 16, for a PEO100K solution according to different embodiments of the present invention, and for its corresponding Newtonian counterpart, in an ejector 5 as in Fig. 2. Specifically, the PEO100K solution has a concentration c equal to 0.875% by weight (i.e., between the corresponding c1* and c2* values) and an Ohnesorge number Oh equal to 0.046, while its Newtonian counterpart has a concentration c equal to 28% by weight and an Ohnesorge number Oh equal to 0.048. The stagnation pressure p0 in the convergent zone 6 is equal to 2.5 bar and the pressure pc downstream of the discharge orifice 8 is equal to 0.075 bar. As shown in Fig. 6, although the length lm of the meniscus 17 decreases with decreasing flow rate Q for both solutions, the length lm of the meniscus 17 is significantly shorter in the weakly viscoelastic solution, and its decrease is more pronounced than for the Newtonian counterpart. Additionally, the steady jet regime can be maintained for significantly lower flow rates Q in the weakly viscoelastic case. What happens is that, as the flow rate Q decreases, the velocity of the jet 18 near the tip of the meniscus 17 increases. Therefore, since a greater increase in the velocity of the working liquid 16 takes place over shorter distances (i.e., at shorter meniscus 17 lengths lm), the strain rate s' exerted on the working liquid 16 in the formation zone of the meniscus 14 increases. This effect intensifies the formation of elastic stresses, which explains why the contraction of the meniscus 17 increases sharply when the flow rate Q decreases. As a consequence, the flow of the working liquid 16 stabilizes at significantly lower flow rates Q, compared to the case of a Newtonian working liquid 16, i.e., lower flow rates Q are required to avoid dripping of the emitted jet 18. Furthermore, since lower flow rates Q are required, smaller diameters of the jet 18 are obtained at the discharge orifice 8 compared to the Newtonian case, as shown in the lower graph of Fig. 6.
Otra ventaja adicional en la presente invención es el aumento en la estabilidad aguas abajo del orificio de descarga 8 del chorro 18 emitido, comparado con el caso en el que el líquido de trabajo 16 fuera un líquido Newtoniano. Gracias a dicho aumento, el chorro débilmente viscoelástico se rompe a distancias que son varios órdenes de magnitud mayores que aquellas de los líquidos Newtonianos. La razón de este comportamiento estable es que los esfuerzos elásticos no se relajan mientras el chorro 18 débilmente viscoelástico vuela aguas abajo del orificio de descarga 8, incluso para tiempos mucho mayores que el tiempo de relajación A* que caracteriza la disolución polimérica que fue recibida en la sección de entrada 11 de la superficie interior 10 del capilar interno 9. Another additional advantage of the present invention is the increase in the stability downstream of the discharge orifice 8 of the emitted jet 18, compared to the case where the working liquid 16 was a Newtonian liquid. Thanks to said increase, the weakly viscoelastic jet breaks up at distances that are several orders of magnitude greater than those of Newtonian liquids. The reason for this stable behavior is that the elastic stresses do not relax while the weakly viscoelastic jet 18 flies downstream of the discharge orifice 8, even for times much longer than the relaxation time A* that characterizes the polymer solution that was received at the inlet section 11 of the inner surface 10 of the inner capillary 9.
La Fig. 7 muestra el diámetro d del chorro 18 emitido aguas abajo del orificio de descarga 8 por un eyector 5 como el de la Fig. 2, como función de la distancia Z desde el orificio de descarga 8 (gráfico izquierdo), y como función del tiempo de vuelo tf del chorro 18 aguas abajo del orificio de descarga 8 (gráfico derecho), para dos disoluciones de PEO100K. Concretamente, las líneas que no terminan en una flecha con punta en forma de V se corresponden con un chorro 18 de disolución de PEO100K con una concentración c igual a 0,75% en peso, es decir, por debajo de su respectivo valor c1* de concentración viscoelástica(chorro subcrítico),y con un caudal Q igual a 1,6 ml/h. Por otro lado, las líneas que terminan en una flecha con punta en forma de V se corresponden con un chorro 18 de disolución de PEO100K de acuerdo con la presente invención, cuya concentración c es igual a 1% en peso, es decir, por encima de su respectivo c1* de concentración viscoelástica y por debajo de su valor c2* de concentración de extracción(chorro crítico),y con un caudal Q igual a 0,4 ml/h. La presión de remanso p0 en la zona convergente 6 es igual a 1,1 bar y la presión pc aguas abajo del orificio de descarga 8 es igual a 0,015 bar. Asimismo, las disoluciones son recibidas en la sección de entrada 11 de la superficie interior 10 de capilar interno 9 con un caudal Q justo por encima del caudal mínimo Qmin compatible con la emisión de un chorro 18 estacionario (véase la Fig. 9). El tiempo de vuelo tf del chorro 18 se define como el tiempo transcurrido entre el instante en el que el elemento de materia del chorro 18 pasa a través del orificio de descarga 8, y el instante en el que ese elemento alcanza la posición axial Z. Las líneas verticales sólidas y discontinuas de la Fig. 7 indican el inicio de inestabilidades de látigo (W) y de tipo Gotas-en-una-Fibra (en inglés, “Beads-on-a-String”, o BOAS), respectivamente. Se considera que la inestabilidad de tipo BOAS está presente si el diámetro del chorro 18 incrementa más de un 10% su valor medio en esa posición del chorro 18. Por otro lado, se considera que la inestabilidad de látigo está presente si hay oscilaciones de látigo con una amplitud mayor que dos veces el diámetro del chorro 18. Aunque la baja presión pc aguas abajo del orificio de descarga 8 prácticamente suprime la inestabilidad de látigo, se observan oscilaciones laterales de pequeña amplitud suficientemente lejos del orificio de descarga 8. En cualquier caso, dicha amplitud en la oscilación permanece pequeña a lo largo de todo el chorro 18 en la Fig. 7. Además, las oscilaciones de látigo no reducen el diámetro del chorro 18. Fig. 7 shows the diameter d of the jet 18 emitted downstream of the discharge orifice 8 by an ejector 5 like that in Fig. 2, as a function of the distance Z from the discharge orifice 8 (left graph), and as a function of the flight time tf of the jet 18 downstream of the discharge orifice 8 (right graph), for two PEO100K solutions. Specifically, the lines that do not end in a V-shaped arrow correspond to a jet 18 of PEO100K solution with a concentration c equal to 0.75% by weight, i.e. below its respective c1* value of viscoelastic concentration (subcritical jet), and with a flow rate Q equal to 1.6 ml/h. On the other hand, the lines ending in an arrow with a V-shaped tip correspond to a jet 18 of PEO100K solution according to the present invention, whose concentration c is equal to 1% by weight, that is, above its respective c1* of viscoelastic concentration and below its c2* value of extraction concentration (critical jet), and with a flow rate Q equal to 0.4 ml/h. The stagnation pressure p0 in the convergent zone 6 is equal to 1.1 bar and the pressure pc downstream of the discharge orifice 8 is equal to 0.015 bar. Likewise, the solutions are received in the inlet section 11 of the inner surface 10 of the internal capillary 9 with a flow rate Q just above the minimum flow rate Qmin compatible with the emission of a stationary jet 18 (see Fig. 9). The flight time tf of jet 18 is defined as the time elapsed between the instant at which the material element of jet 18 passes through discharge orifice 8, and the instant at which that element reaches the axial position Z. The solid and dashed vertical lines in Fig. 7 indicate the onset of whip (W) and Beads-on-a-String (BOAS) instabilities, respectively. BOAS-type instability is considered to be present if the diameter of the jet 18 increases by more than 10% of its mean value at that position of the jet 18. On the other hand, whip instability is considered to be present if there are whip oscillations with an amplitude greater than twice the diameter of the jet 18. Although the low pressure pc downstream of the discharge orifice 8 practically suppresses the whip instability, small amplitude lateral oscillations are observed sufficiently far from the discharge orifice 8. In any case, said amplitude in the oscillation remains small along the entire jet 18 in Fig. 7. Furthermore, the whip oscillations do not reduce the diameter of the jet 18.
El chorro subcrítico de la Fig. 7 es progresivamente acelerado (el diámetro decrece) aguas abajo del orificio de descarga 8. Asimismo, la inestabilidad de tipo BOAS tiene lugar a una distancia Z del orificio de descarga 8 por encima de 1 mm, mientras que la ruptura del chorro subcrítico tiene lugar a una distancia Z del orificio de descarga 8 alrededor de 4 mm. Por otro lado, en el chorro crítico de la Fig. 7, el líquido de trabajo 16 sufre una aceleración mayor en la zona de formación del menisco 14 que en el caso del chorro subcrítico de la Fig. 7. De hecho, el diámetro en el chorro crítico en el orificio de descarga 8 es aproximadamente el mismo en que en el resto de la región analizada (i.e., hasta una distancia Z desde el orificio de descarga 8 igual a 10 mm). Adicionalmente, en el chorro crítico de la Fig. 7, la inestabilidad de tipo BOAS aparece a una distancia Z desde el orificio de descarga 8 de alrededor de 4 mm, i.e., 2000 veces el diámetro d del chorro crítico, una distancia mucho mayor que en el caso del chorro subcrítico de la Fig. 7. Ventajosamente, el chorro crítico de la Fig. 7 fluye sin romperse dentro de la región analizada, i.e., alrededor de 5000 veces el diámetro d del chorro crítico (como está indicado por la flecha con forma de V en la Fig. 7). Las gotas formadas por la inestabilidad de tipo BOAS están separadas por distancias mucho mayores que el diámetro d del chorro crítico, por lo que no alteran significativamente dicho diámetro. The subcritical jet of Fig. 7 is progressively accelerated (the diameter decreases) downstream of the discharge orifice 8. Also, the BOAS type instability occurs at a distance Z from the discharge orifice 8 above 1 mm, while the breakup of the subcritical jet occurs at a distance Z from the discharge orifice 8 about 4 mm. On the other hand, in the critical jet of Fig. 7, the working liquid 16 undergoes a greater acceleration in the zone of formation of the meniscus 14 than in the case of the subcritical jet of Fig. 7. In fact, the diameter in the critical jet at the discharge orifice 8 is approximately the same as in the rest of the analyzed region (i.e., up to a distance Z from the discharge orifice 8 equal to 10 mm). Additionally, in the critical jet of Fig. 7, the BOAS-type instability appears at a distance Z from the discharge orifice 8 of about 4 mm, i.e., 2000 times the diameter d of the critical jet, a much larger distance than in the case of the subcritical jet of Fig. 7. Advantageously, the critical jet of Fig. 7 flows without breaking within the analyzed region, i.e., about 5000 times the diameter d of the critical jet (as indicated by the V-shaped arrow in Fig. 7). The drops formed by the BOAS-type instability are separated by distances much larger than the diameter d of the critical jet, so they do not significantly alter said diameter.
Comúnmente, se espera que la inestabilidad de tipo BOAS aparezca en tiempos de vuelo tf similares o ligeramente por encima del tiempo de relajación A* de la disolución polimérica. De hecho, esto es lo que sucede con el chorro subcrítico en el gráfico derecho de la Fig. 7. Ahí, las gotas se forman en tiempos menores a 100 .^s, mientras que el tiempo de relajación Ar de la disolución polimérica empleada es de alrededor de 26 .^s. Por el contrario, los resultados del chorro crítico contradicen la expectativa anterior. Como puede observarse en el gráfico derecho de la Fig. 7, la inestabilidad de tipo BOAS en el chorro crítico es detectada en tiempos de vuelo alrededor de los 350 .^s, esto es, en tiempos más de un orden de magnitud mayores que el tiempo de relajación de la disolución polimérica. Este retraso en la aparición de la inestabilidad de tipo BOAS ejemplifica la mejora en la estabilidad del chorro débilmente viscoelástico de la presente invención. Typically, the BOAS-type instability is expected to appear at flight times tf similar to or slightly above the relaxation time A* of the polymer solution. Indeed, this is what happens for the subcritical jet in the right graph of Fig. 7. There, droplets form at times less than 100 s, while the relaxation time Ar of the polymer solution used is around 26 s. In contrast, the results for the critical jet contradict the above expectation. As can be seen in the right graph of Fig. 7, the BOAS-type instability in the critical jet is detected at flight times around 350 s, that is, at times more than one order of magnitude longer than the relaxation time of the polymer solution. This delay in the appearance of the BOAS-type instability exemplifies the improvement in the stability of the weakly viscoelastic jet of the present invention.
La Fig. 8 muestra el cociente entre la longitud L del chorro 18 emitido por un eyector 5 como el de la Fig. 2 y d0, como función del cociente entre el caudal Q de líquido de trabajo 16 y Q0, para dos disoluciones de PEO100K (círculos sin relleno) y PEO600K (círculos con relleno), y para distintas presiones de remanso p0 (iguales a 1, 1,1, 2,5 y 3,5 bar) en la zona convergente 6 y una presión pc aguas abajo del orificio de descarga 8 de 0,015 bar, de acuerdo con diferentes realizaciones de la presente invención. Concretamente, la concentración c de la disolución de PEO100K es igual a 1% en peso y la de la disolución de PEO600K es igual a 0,058% en peso, esto es, en ambos casos la concentración c está por encima del respectivo valor c1* de concentración viscoelástica y por debajo del respectivo valor c2* de concentración de extracción. Aquí, d0 y Q0 están definidos como d0 = a/p0 y Q0 = a2/(p p03)1/2, donde p y a son, respectivamente, la densidad y la tensión superficial de la correspondiente disolución polimérica. Adicionalmente, en la Fig. 8 se muestra una línea continua que representa el comportamiento que seguirían los líquidos de baja viscosidad (Newtonianos), esto es, L/d0 = ap (81/2/n)3/4(Q/Q0)3/4, donde ap = 15,0 es un prefactor obtenido de ajustes de datos experimentales, como se divulga, por ejemplo, en A. M. Gañán-Calvo et al.,The natural breakup length of a steady capillary jet: Application to serial femtosecond crystallography,Crystals 11, 990 (2021). Como se puede observar en la Fig. 8, los chorros débilmente viscoelásticos producidos en la presente invención son muchos más largos que los chorros Newtonianos, en particular cuando los caudales son bajos. De hecho, la longitud de los chorros de disolución de PEO100K de la Fig. 8 llega a ser dos órdenes de magnitud más larga que aquella correspondiente a chorros Newtonianos. Además, como en la Fig. 7, el chorro de disolución de PEO100K con un caudal próximo al mínimo Qmin compatible con el régimen de chorro estacionario no se rompe en la región analizada, tal y como se indica con la flecha de la Figura 8. Fig. 8 shows the quotient between the length L of the jet 18 emitted by an ejector 5 like that of Fig. 2 and d0, as a function of the quotient between the flow rate Q of working liquid 16 and Q0, for two solutions of PEO100K (open circles) and PEO600K (filled circles), and for different stagnation pressures p0 (equal to 1, 1.1, 2.5 and 3.5 bar) in the convergent zone 6 and a pressure pc downstream of the discharge orifice 8 of 0.015 bar, according to different embodiments of the present invention. Specifically, the concentration c of the PEO100K solution is equal to 1% by weight and that of the PEO600K solution is equal to 0.058% by weight, i.e. in both cases the concentration c is above the respective c1* value of viscoelastic concentration and below the respective c2* value of extraction concentration. Here, d0 and Q0 are defined as d0 = a/p0 and Q0 = a2/(p p03)1/2, where p and a are, respectively, the density and the surface tension of the corresponding polymer solution. Additionally, a solid line is shown in Fig. 8 representing the behavior that low viscosity (Newtonian) liquids would follow, i.e., L/d0 = ap (81/2/n)3/4(Q/Q0)3/4, where ap = 15.0 is a prefactor obtained from experimental data fits, as disclosed, for example, in A. M. Gañán-Calvo et al., The natural breakup length of a steady capillary jet: Application to serial femtosecond crystallography, Crystals 11, 990 (2021). As can be seen in Fig. 8, the weakly viscoelastic jets produced in the present invention are much longer than Newtonian jets, particularly when flow rates are low. In fact, the length of the PEO100K dissolution jets in Fig. 8 becomes two orders of magnitude longer than that of Newtonian jets. Furthermore, as in Fig. 7, the PEO100K solution jet with a flow rate close to the minimum Qmin compatible with the steady jet regime does not break in the analyzed region, as indicated by the arrow in Figure 8.
En una realización preferente de la invención, el caudal constante Q de líquido de trabajo 16 se fija a un valor 1,03 veces el valor umbral Qmin que caracteriza el comienzo del régimen de chorro estacionario. Dicho umbral depende fuertemente de la concentración c de la disolución polimérica, y decrece drásticamente en comparación con el caso de un líquido de trabajo 16 Newtoniano. In a preferred embodiment of the invention, the constant flow rate Q of working liquid 16 is set to a value 1.03 times the threshold value Qmin characterizing the beginning of the steady jet regime. Said threshold strongly depends on the concentration c of the polymer solution, and decreases drastically compared to the case of a Newtonian working liquid 16.
La Fig. 9 muestra el caudal mínimo Qmin compatible con un chorro estacionario (Fig. 9 a), el diámetro dmin del chorro 18 en el orificio de descarga 8 al caudal mínimo (Fig. 9 b), y la longitud lm del menisco 17 al caudal mínimo (Fig. 9 c), como función de la concentración c de una disolución de PEO100K (círculos), en un eyector 5 como el de la Fig. 2. Adicionalmente, la Fig. 9 muestra el caudal mínimo Qmin compatible con un chorro estacionario (Fig. 9 a), el diámetro dmin del chorro 18 en el orificio de descarga 8 al caudal mínimo (Fig. 9 b), y la longitud lm del menisco 17 al caudal mínimo (Fig. 9 c), para las correspondientes contrapartidas Newtonianas (triángulos). Las líneas continuas son guías para el ojo. Además, las líneas discontinuas horizontales indican el caudal mínimo Qmin compatible con un chorro estacionario (Fig. 9 a), el diámetro dmin del chorro 18 en el orificio de descarga 8 al caudal mínimo (Fig. 9 b), y la longitud lm del menisco 17 al caudal mínimo (Fig. 9 c), para el agua. La presión de remanso p0 en la zona convergente 6 es de 2,5 bar y la presión pc aguas abajo del orificio de descarga es de 0,075 bar. Como se puede observar, para concentraciones c de la disolución de PEO100K por debajo del correspondiente valor c1* (en este caso, c1*= 0,78% en peso), el caudal mínimo Qmin que da lugar a un chorro 18 estacionario crece levemente con la concentración c. La misma tendencia se observa en la contrapartida Newtoniana y, por tanto, este efecto se atribuye a la viscosidad de la disolución polimérica. Sin embargo, cuando la concentración c es igual al valor c1* de concentración viscoelástica, el valor del caudal mínimo Qmin se hunde y permanece casi constante en el intervalo delimitado por el valor c1* y por el valor c2* de concentración de extracción (en este caso, c2*= 1,13% en peso). Dentro de este intervalo, el valor del caudal mínimo Qmin de la disolución de PEO100K es seis veces menor que el de su respectiva contrapartida Newtoniana. La profunda caída del caudal mínimo a la concentración c1* es causada por la transición helicoidal-estirado, que desencadena los esfuerzos elásticos que estabilizan el flujo de líquido de trabajo 16 en la zona de formación del menisco 14. Por otro lado, el valor del caudal mínimo crece abruptamente a la concentración c igual al valor c2*. Este hecho está asociado al efecto de extracción descrito anteriormente. La reducción del valor del caudal mínimo Qmin tiene importantes consecuencias prácticas, puesto que permite producir chorros 18 más finos, comparados con los casos de líquidos de trabajo 16 Newtonianos, como se muestra en la Fig. 9 b. Por ejemplo, el diámetro dmin en el orificio de descarga 8 cuando el caudal Q es fijado al caudal mínimo en el caso del agua, es aproximadamente dos veces mayor que cuando se disuelven en ella moléculas de PEO100K a una concentración c entre c1* y c2*. Interesantemente, dicho diámetro es menor que aquel esperado para líquidos Newtonianos, esto es, es menor que dmin ~ Qmin0,808. Fig. 9 shows the minimum flow rate Qmin compatible with a stationary jet (Fig. 9 a), the diameter dmin of the jet 18 at the discharge orifice 8 at the minimum flow rate (Fig. 9 b), and the length lm of the meniscus 17 at the minimum flow rate (Fig. 9 c), as a function of the concentration c of a PEO100K solution (circles), in an ejector 5 like the one in Fig. 2. Additionally, Fig. 9 shows the minimum flow rate Qmin compatible with a stationary jet (Fig. 9 a), the diameter dmin of the jet 18 at the discharge orifice 8 at the minimum flow rate (Fig. 9 b), and the length lm of the meniscus 17 at the minimum flow rate (Fig. 9 c), for the corresponding Newtonian counterparts (triangles). The solid lines are guides for the eye. Furthermore, the horizontal dashed lines indicate the minimum flow rate Qmin compatible with a stationary jet (Fig. 9 a), the diameter dmin of the jet 18 at the discharge orifice 8 at the minimum flow rate (Fig. 9 b), and the length lm of the meniscus 17 at the minimum flow rate (Fig. 9 c), for water. The stagnation pressure p0 in the convergent zone 6 is 2.5 bar and the pressure pc downstream of the discharge orifice is 0.075 bar. As can be seen, for concentrations c of the PEO100K solution below the corresponding c1* value (in this case, c1*= 0.78% by weight), the minimum flow rate Qmin giving rise to a stationary jet 18 increases slightly with concentration c. The same trend is observed in the Newtonian counterpart and therefore this effect is attributed to the viscosity of the polymer solution. However, when the concentration c is equal to the viscoelastic concentration value c1*, the minimum flow rate value Qmin drops and remains almost constant in the range delimited by the c1* and c2* extraction concentration values (in this case, c2*= 1.13% by weight). Within this range, the minimum flow rate value Qmin of the PEO100K solution is six times lower than that of its respective Newtonian counterpart. The sharp drop in the minimum flow rate at concentration c1* is caused by the helical-stretch transition, which triggers elastic stresses that stabilize the flow of working liquid 16 in the meniscus formation zone 14. On the other hand, the minimum flow rate value grows abruptly at concentration c equal to the c2* value. This fact is associated with the extraction effect described above. The reduction of the minimum flow rate Qmin has important practical consequences, since it allows producing finer jets 18 compared to the case of Newtonian working liquids 16 as shown in Fig. 9 b. For example, the diameter dmin at the discharge orifice 8 when the flow rate Q is set to the minimum flow rate in the case of water is approximately twice as large as when PEO100K molecules are dissolved in it at a concentration c between c1* and c2*. Interestingly, this diameter is smaller than that expected for Newtonian liquids, i.e. it is smaller than dmin ~ Qmin0.808.
La Fig. 10 muestra el caudal mínimo Qmin compatible con un chorro estacionario (gráfico superior) y el diámetro dmin del chorro 18 en el orificio de descarga 8 al caudal mínimo (gráfico inferior), en un eyector 5 como el de la Fig.2, como función de la concentración c de polímero para disoluciones de PEO100K (círculos), PEO200K (cuadrados) y PEO600K (triángulos). La presión de remanso p0 en la zona convergente 6 es de 2,5 bar y la presión pc aguas abajo del orificio de descarga es de 0,075 bar. Las líneas a trazos, sólidas y punteadas son guías para el ojo. Interesantemente, aunque los resultados de las disoluciones de PEO200K y PEO600K son similares a los de la disolución de PEO100K, las curvas del caudal mínimo Qmin y del diámetro dmin del chorro 18 en el orificio de descarga 8 al caudal mínimo se desplazan hacia valores más bajos de la concentración a medida que el peso molecular Mw crece. Esto sucede porque el tiempo de relajación A* crece con el peso molecular Mw y, por tanto, dada una tasa de deformación s' ejercida sobre el líquido de trabajo 16 en la zona de formación del menisco 14, el valor ci* de concentración viscoelástica es menor cuanto mayor es el peso molecular Mw. De hecho, los valores del tiempo de relajación Ar correspondientes a la concentración ci* del PEO100K y del PEO600K son del mismo orden (véase la Fig. 3). Asimismo, cuando la concentración c de polímero es mayor que ci* en la Fig. 10, la caída del valor del caudal mínimo Qmin es menos pronunciada a medida que aumenta el peso molecular. Es más, para disoluciones de PEO con peso molecular Mw por encima de 106 g/mol, en un eyector 5 como el de Fig. 2 se obtiene el efecto de extracción antes de que pueda observarse el comportamiento débilmente viscoelástico de la disolución polimérica, esto es, el valor c2* de concentración de extracción es menor que el valor ci* de concentración viscoelástica. Fig. 10 shows the minimum flow rate Qmin compatible with a stationary jet (upper graph) and the jet diameter dmin 18 at discharge orifice 8 at minimum flow rate (lower graph), in an ejector 5 like that in Fig. 2, as a function of polymer concentration c for PEO100K (circles), PEO200K (squares) and PEO600K (triangles) solutions. The stagnation pressure p0 in the convergent zone 6 is 2.5 bar and the pressure pc downstream of the discharge orifice is 0.075 bar. The dashed, solid and dotted lines are guides to the eye. Interestingly, although the results for the PEO200K and PEO600K dissolutions are similar to those for the PEO100K dissolution, the curves for the minimum flow rate Qmin and the jet diameter dmin 18 at the discharge orifice 8 at the minimum flow rate shift towards lower values of the concentration as the molecular weight Mw grows. This happens because the relaxation time A* grows with the molecular weight Mw and therefore, given a deformation rate s' exerted on the working liquid 16 in the meniscus formation zone 14, the viscoelastic concentration ci* value is lower the higher the molecular weight Mw. In fact, the relaxation time Ar values corresponding to the concentration ci* of PEO100K and PEO600K are of the same order (see Fig. 3). Also, when the polymer concentration c is higher than ci* in Fig. 10, the drop in the minimum flow rate value Qmin is less pronounced as the molecular weight increases. Moreover, for PEO solutions with molecular weight Mw above 106 g/mol, in an ejector 5 such as that in Fig. 2 the extraction effect is obtained before the weakly viscoelastic behaviour of the polymer solution can be observed, i.e. the extraction concentration value c2* is lower than the viscoelastic concentration value ci*.
La Fig. 11 muestra un segundo de dispositivo de focalización gaseosa de fluidos 19 diferente al empleado en la Fig. 1. Dicho dispositivo 19 comprende: Fig. 11 shows a second gaseous fluid focusing device 19 different from that used in Fig. 1. Said device 19 comprises:
un capilar interno 9 situado en la zona convergente 6, que en este caso está abierta al ambiente, extendiéndose el capilar interno 9 a lo largo de un eje, teniendo el capilar interno una superficie interior 10 con una sección de entrada 11 configurada para recibir un caudal constante de líquido de trabajo 16 y una sección de salida 12 perpendicular al eje y teniendo también una superficie exterior 13, y an internal capillary 9 located in the convergent zone 6, which in this case is open to the environment, the internal capillary 9 extending along an axis, the internal capillary having an inner surface 10 with an inlet section 11 configured to receive a constant flow of working liquid 16 and an outlet section 12 perpendicular to the axis and also having an outer surface 13, and
una cámara de descarga 2 (que se muestra cortada, para mostrar su interior) que delimita una región de descarga 3. a discharge chamber 2 (shown cut away to show its interior) delimiting a discharge region 3.
La cámara de descarga 2 tiene forma de cilindro con una base plana superior, que es el plano de descarga, donde se encuentra el orificio de descarga 8. Las paredes laterales se disponen a una distancia de 400 ^m del orificio de descarga 8, mientras que la pared inferior se dispone a una distancia de 10 mm del orificio de descarga 8, aunque por mejor apreciación de los detalles de la figura, la dimensión en altura no está mostrada a escala. The discharge chamber 2 is cylindrical in shape with a flat upper base, which is the discharge plane, where the discharge orifice 8 is located. The side walls are arranged at a distance of 400 ^m from the discharge orifice 8, while the bottom wall is arranged at a distance of 10 mm from the discharge orifice 8, although for a better appreciation of the details of the figure, the height dimension is not shown to scale.
La zona convergente 6 está abierta al ambiente, por lo que puede considerarse que recibe una corriente de gas 15 a una presión de remanso p0 en la zona convergente 6 que es la presión ambiente (típicamente 1,01325 bar). La presión pc aguas abajo del orificio de descarga 8 se regula mediante una bomba de succión 4 para mantenerla 20 veces menor que la presión de remanso p0 en la zona convergente 6 (que en este caso es la presión ambiente), de modo que dicha corriente de gas 15 se descarga a la velocidad del sonido. The convergent zone 6 is open to the environment, so it can be considered that it receives a gas stream 15 at a stagnation pressure p0 in the convergent zone 6 which is the ambient pressure (typically 1.01325 bar). The pressure pc downstream of the discharge orifice 8 is regulated by a suction pump 4 to keep it 20 times lower than the stagnation pressure p0 in the convergent zone 6 (which in this case is the ambient pressure), so that said gas stream 15 is discharged at the speed of sound.
Entre la sección de salida 12 de la superficie interior 10 del capilar interno 9 y el orificio de descarga 8 existe una zona de formación del menisco 14. Between the outlet section 12 of the inner surface 10 of the inner capillary 9 and the discharge orifice 8 there is a meniscus forming area 14.
Además del flujo de la corriente de gas 15, el dispositivo 19 está configurado para recibir un líquido de trabajo 16 a un caudal Q constante en la sección de entrada 11 de la superficie interior 10 del capilar interno 9. In addition to the flow of the gas stream 15, the device 19 is configured to receive a working liquid 16 at a constant flow rate Q in the inlet section 11 of the inner surface 10 of the inner capillary 9.
De este modo, cuando ambas corrientes son suministradas en el dispositivo 19, se forma un menisco 17 de líquido de trabajo 16 en la zona de formación del menisco 14 cuando el líquido de trabajo 16 sale de capilar interno 9 y contacta con la corriente de gas 15 transónica, ejerciendo una tasa de deformación s' en el líquido de trabajo 16, dando lugar el menisco 17 a un chorro 18 estacionario de líquido de trabajo 16 que se emite desde el menisco 17 al orificio de descarga 8. Thus, when both streams are supplied to the device 19, a meniscus 17 of working liquid 16 is formed in the meniscus forming zone 14 when the working liquid 16 exits the internal capillary 9 and contacts the transonic gas stream 15, exerting a deformation rate s' on the working liquid 16, the meniscus 17 giving rise to a stationary jet 18 of working liquid 16 which is emitted from the meniscus 17 to the discharge orifice 8.
En el capilar interno 9 de la Fig. 11, tanto la sección de entrada 11 como la sección de salida 12 de la superficie interior 10 del capilar interno 9 tienen el mismo diámetro Dn, de manera que el líquido de trabajo 16 recibido a un caudal constante Q no es acelerado dentro del capilar interno 9. En particular, el diámetro Dn del capilar interno 9 tiene un tamaño de 75 ^m. Por otro lado, el diámetro D del orificio de descarga 8 tiene un tamaño de 75 ^m, y la separación H entre la sección de salida 12 de la superficie interior 10 del capilar interno 9 y el orificio de descarga 8 tiene un tamaño de 180 ^m. In the inner capillary 9 of Fig. 11, both the inlet section 11 and the outlet section 12 of the inner surface 10 of the inner capillary 9 have the same diameter Dn, so that the working liquid 16 received at a constant flow rate Q is not accelerated within the inner capillary 9. In particular, the diameter Dn of the inner capillary 9 has a size of 75 ^m. On the other hand, the diameter D of the discharge orifice 8 has a size of 75 ^m, and the gap H between the outlet section 12 of the inner surface 10 of the inner capillary 9 and the discharge orifice 8 has a size of 180 ^m.
En esta Fig. 11 también se ilustran otras dimensiones, que caracterizan la zona de formación del menisco 14 y el chorro 18 estacionario de líquido de trabajo 16, y que son análogas a las ilustradas en la Fig. 2 anteriormente definidas. Other dimensions are also illustrated in this Fig. 11, which characterize the meniscus formation zone 14 and the stationary jet 18 of working liquid 16, and which are analogous to those illustrated in Fig. 2 defined above.
Por lo demás, el fenómeno físico que se lleva a cabo utilizando como liquido de trabajo 16 una disolución polimérica como la definida anteriormente es análogo a lo que acontece en las realizaciones descritas en base a la Fig. 2, por lo que no es necesario volver a repetir todos los mecanismos físicos que se producen en relación a esta figura. Furthermore, the physical phenomenon carried out using a polymeric solution as defined above as the working liquid 16 is analogous to what occurs in the embodiments described based on Fig. 2, so it is not necessary to repeat all the physical mechanisms that occur in relation to this figure.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| BA2A | Patent application published |
Ref document number: 2953864 Country of ref document: ES Kind code of ref document: A1 Effective date: 20231116 |
|
| FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2953864 Country of ref document: ES Kind code of ref document: B2 Effective date: 20241128 |