Fundamental aspects of electrospray operations. Applications to the production of microdroplets, nanoparticles and emulsions. - Hijano Pérez, Antonio Jesús (UMA Editorial, 2018)
En la presente Tesis Doctoral se investiga el proceso que da lugar a la formación y emisión de gotas monodispersas desde un menisco electrificado de un líquido de baja viscosidad y elevada conductividad eléctrica en el régimen de "microdripping" eléctrico periódico, conocido como "Axial Spray Mode II" por Juraschek & Röllgen (1998). El menisco está anclado a la punta de un tubo capilar metálico, y se alimenta con caudal constante de líquido mientras se conecta a un voltaje constante referenciado a un contraelectrodo, conectado a tierra, que está colocado a una cierta distancia de la punta del tubo. Dentro de un cierto rango de caudales, y un estrecho rango de voltajes, la dinámica del menisco se encuadra en el régimen de "microdripping", en el que se establece un movimiento periódico del mismo, donde su punta se alarga formando un filamento que finalmente se desprende, dando lugar a una gota. Este modo de emisión produce gotas monodispersas cuyo diámetro depende del caudal con que se alimenta el menisco, y puede ser de hasta una décima parte del diámetro del tubo capilar. El proceso está gobernado, principalmente, por dos parámetros adimensionales: el caudal adimensional y el número de Bond Eléctrico. El caudal, adimensionalizado con el caudal capilar, es pequeño aunque puede variarse en tres órdenes de magnitud dentro del régimen de "microdripping", mientras que el número de Bond Eléctrico, que representa el ratio entre esfuerzos eléctricos y capilares, puede solo variarse en un rango estrecho de orden unidad. Un segundo tipo de emisión aparece en el régimen de "microdripping", diferente de la emisión de la gota a la que da lugar el ligamento estirado. Desde que el menisco adopta una forma cuasicónica, en la etapa anterior a la formación del ligamento, hasta que se desprende la gota del mismo en cada oscilación, se produce una emisión de espray desde la punta del menisco.
Este espray supone una emisión despreciable de masa, en el caso de líquidos muy conductores, comparado con la masa de la gota principal emitida, pero sin embargo transporta la mayor parte de la carga eléctrica emitida desde el menisco. Se realizada un estudio experimental donde se graban vídeos con cámara de alta velocidad para analizar la dinámica del menisco, y se mide, asimismo, la carga eléctrica transportada por las gotas emitidas. Para caudales pequeños el período de las oscilaciones del menisco es del orden del tiempo capilar. El estudio del comportamiento del ligamento que se forma en la punta del menisco, durante cada período de oscilación, da lugar a diferentes potencias del caudal adimensional con las que escalan el tamaño del ligamento y frecuencia de la oscilación. Estas leyes de escala dejan de ser válidas para caudales elevados, cuando la longitud del ligamento deja de ser pequeña comparada con el diámetro del tubo, y la vida del ligamento es ahora del orden del período de la oscilación del menisco. En este caso, se determinan nuevas potencias del caudal con que escalan la frecuencia de la oscilación y el tamaño del ligamento. El trabajo experimental se completa con simulaciones numéricas, suponiendo el movimiento axilsimétrico de un líquido no viscoso infinitamente conductor. El flujo del líquido es irrotacional y el potencial de velocidad satisface, por tanto, la ecuación de Laplace. La ecuación de Laplace para el potencial eléctrico también se satisface en el dominio exterior al líquido, y ambas ecuaciones se resuelven mediante el uso de elementos de contorno. Los resultados numéricos se comparan con los experimentos, donde se usó una solución acuosa muy conductora, lo que justifica las hipótesis de líquido no viscoso e infinitamente conductor. Las simulaciones coinciden razonablemente bien con los resultados experimentales para caudales grandes, en lo que a frecuencias de oscilación del menisco se refiere. Para estos casos se encuentran las mismas tendencias de la frecuencia de oscilación o del volumen medio del menisco respecto del caudal adimensional y el número de Bond Eléctrico. Sin embargo, los resultados numéricos difieren de los experimentales para caudales pequeños, donde la punta redondeada que se obtiene en las simulaciones difiere de la punta cuasi cónica que se observa experimentalmente en la punta del menisco, la cual no puede ser simulada correctamente con el modelo usado.
Keywords: Ingeniería - Tesis doctorales; Microdripping; Electrohidrodinámica; EHD; Cono-chorro