Título de la invenciónInvention Title
Dispositivo y procedimiento para la atomización neumática de líquidosDevice and procedure for pneumatic atomization of liquids
El objeto de la presente invención es un dispositivo y procedimiento de atomización o nebulización de un líquido mediante el uso de un gas impulsor que es introducido a presión en dicho dispositivo. Ambos fluidos son expulsados al exterior tras su mezcla, produciéndose la salida del líquido en forma de aerosol o suspensión de gotas arrastrada por la corriente de gas. El dispositivo consta de una cámara de una cámara de almacenamiento de líquido, contenida en una botella presurizada, y un cabezal de mezclado líquido-gas donde se produce la combinación entre las dos fases citadas y la salida al exterior. El gas de impulsión penetra en el interior de la botella por una boquilla de inyección, situada en la parte alta de dicha botella, saliendo posteriormente por un tubo de evacuación cuyo extremo comunica con el cabezal de mezclado. La superficie libre del líquido dentro de la botella es presionada por el gas de impulsión, por lo que el líquido es impulsado hacia el cabezal a través de un tubo de succión cuya boca de aspiración se encuentra próxima al fondo de la botella. El tubo de evacuación dispone de un regulador de pérdida de carga. El tubo de succión, a su vez, está dotado de una válvula de tres vías, respectivamente comunicantes con la boca de aspiración, el cabezal, y un escape de gas, y tres posiciones: obturación de vías de nebulización, salida de gas por el escape e impulsión de la mezcla gas/líquido por el cabezal. Las tres posiciones de dicha válvula se corresponden con tres fases de operación del dispositivo, respectivamente, la fase de apagado o de rellenado-vaciado de líquido, la de limpieza mediante gas de los conductos de impulsión, y la de atomización.The object of the present invention is a device and method of atomization or nebulization of a liquid by means of the use of a driving gas which is introduced under pressure into said device. Both fluids are expelled outside after mixing, producing the liquid in the form of an aerosol or droplet suspension carried by the gas stream. The device consists of a chamber of a liquid storage chamber, contained in a pressurized bottle, and a liquid-gas mixing head where the combination between the two phases mentioned and the exit to the outside takes place. The supply gas penetrates into the interior of the bottle through an injection nozzle, located in the upper part of said bottle, subsequently leaving an evacuation tube whose end communicates with the mixing head. The free surface of the liquid inside the bottle is pressed by the discharge gas, whereby the liquid is propelled towards the head through a suction tube whose suction mouth is close to the bottom of the bottle. The evacuation tube has a pressure loss regulator. The suction tube, in turn, is provided with a three-way valve, respectively communicating with the suction nozzle, the head, and a gas leak, and three positions: fogging path seals, gas outlet through the Exhaust and discharge of the gas / liquid mixture through the head. The three positions of said valve correspond to three phases of operation of the device, respectively, the phase of shutting down or filling-emptying of liquid, the gas cleaning of the supply ducts, and the atomization phase.
Introducción al estado de la técnicaIntroduction to the state of the art
Los aparatos nebulizadores permiten la transformación de un preparado líquido en aerosol o suspensión de microgotas. Los dispositivos nebulizadores suelen constar de una cámara de reserva donde se introduce el líquido, una cámara de nebulización donde se genera el aerosol, y una fuente de energía, generalmente una bomba, para impulsar el aire portador de la suspensión.The nebulizer devices allow the transformation of a liquid preparation into an aerosol or micro-droplet suspension. Nebulizer devices usually consist of a reserve chamber where the liquid is introduced, a fogging chamber where the aerosol is generated, and a source of energy, usually a pump, to propel the carrier air from the suspension.
La atomización de líquidos por vías puramente fluidodinámicas, y en particular por vía neumática, es una operación fundamental en múltiples aplicaciones y desarrollos industriales, tecnológicos, científicos y de la vida cotidiana. Los aerosoles han sido usados en numerosos campos tecnológicos,The atomization of liquids by purely fluid dynamics, and in particular by pneumatic means, is a fundamental operation in multiple applications and industrial, technological, scientific and everyday life developments. Aerosols have been used in numerous technological fields,
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en particular como medio para tratar las enfermedades de las vías respiratorias mediante la nebulización de medicamentos líquidos. La administración de fármacos en forma de aerosol por vía inhalatoria permite obtener concentraciones adecuadas de medicamentos en el aparato respiratorio minimizando los efectos secundarios. Asimismo son muy conocidas las aplicaciones en el sector agronómico, para pulverización de plaguicidas, por ejemplo en tratamientos de desinsectación. Se utilizan para ello equipos manuales o automáticos (portátiles, montados en vehículos), que permiten una aplicación dirigida y cierta capacidad de regular el grosor de la gota, cuyo diámetro suele variar entre las 100 y las 500 mieras. Cuando los tamaños de gota son inferiores, entre 50 - 100 mieras, suele usarse el término nebulización: en las aplicaciones de insecticida, ello aumenta la capacidad de flotación del preparado así como la extensión cubierta cuando se produce la deposición de las gotas.SUBSTITUTE SHEET RULE 26 in particular as a means to treat diseases of the respiratory tract by nebulizing liquid medications. The administration of aerosolized drugs by inhalation allows adequate concentrations of medications to be obtained in the respiratory system while minimizing side effects. Also the applications in the agronomic sector are well known, for pulverization of pesticides, for example in treatments of disinsection. Manual or automatic equipment (portable, mounted on vehicles) is used for this, which allows a targeted application and some ability to regulate the thickness of the drop, whose diameter usually varies between 100 and 500 microns. When the droplet sizes are smaller, between 50-100 microns, the term nebulization is usually used: in insecticide applications, this increases the buoyancy of the preparation as well as the covered extension when the deposition of the drops occurs.
Son diversos los principios tecnológicos en que se basa la atomización de líquidos. De ellos depende la caKdad y estabilidad del aerosol (carácter mono-disperso, tamaño de gotas), así como la facilidad de manejo y economía del procedimiento.The technological principles on which liquid atomization is based are diverse. On them depends the quality and stability of the aerosol (mono-dispersed character, droplet size), as well as the ease of handling and economy of the procedure.
" Atomización centrífuga: es la más extendida, y utiliza una rueda o disco giratorio para romper el chorro líquido en gotas. Dependiendo de la velocidad de giro se obtienen distintos tamaños de gota. El mercado ofrece atomizadores centrífugos de todos los tamaños, desde la escala de laboratorio hasta la gran escala industrial. " Atomización <5lrodinámica, a presión: la caída de presión en una boquilla o los efectos gravitatorios ocasionan la desintegración del líquido. Generalmente, el líquido es impulsado a través de una boquilla estrecha; la dinámica del flujo en dicha boquilla detem-ina el tamaño de gotas, de ahí el mal funcionamiento cuando el líquido utilizado causa abrasión en la boquilla o cuando se producen sedimentaciones que alteran la geometría de la eyección. Se basan en este principio la mayoría de las aplicaciones industriales: humidificación de espacios cerrados, microrriego, tratamiento de superficies en fabricación de aceros y chapas, aplicación de pinturas. " Atomización neumática. Se recurre a un segundo fluido, generalmente un gas, para facilitar la atomización del líquido. Los esfuerzos cortantes entre el gas y el líquido producen la desintegración de éste en gotas. La atomización neumática, en general, consigue buenos rencümientos con una presión moderada. o Dentro de esta tipología destacan los inhaladores farmacéuticos. Los inhaladores suelen constar de una cámara que contiene el medicamento en forma líquida, un chorro de aire, un conducto de alimentación del medicamento, y una placa de"Centrifugal atomization: it is the most widespread, and uses a rotating wheel or disk to break the liquid jet into drops. Depending on the speed of rotation, different droplet sizes are obtained. The market offers centrifugal atomizers of all sizes, from the scale from laboratory to large industrial scale. "Atomization <5 lrodynamics, under pressure: pressure drop in a nozzle or gravitational effects cause the disintegration of the liquid. Generally, the liquid is driven through a narrow nozzle; The dynamics of the flow in said nozzle detect the droplet size, hence the malfunction when the liquid used causes abrasion in the nozzle or when sedimentations occur that alter the geometry of the ejection. Most industrial applications are based on this principle: humidification of enclosed spaces, micro-irrigation, surface treatment in steel and sheet manufacturing, paint application. "Pneumatic atomization. A second fluid, usually a gas, is used to facilitate the atomization of the liquid. The shear stresses between the gas and the liquid cause its disintegration in drops. The pneumatic atomization, in general, achieves good renuctions with a moderate pressure.o Pharmaceutical inhalers stand out within this typology.Inhalers usually consist of a chamber that contains the medicine in liquid form, an air jet, a medication feeding duct, and a plaque.
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impactación combinada con un defiector. Se inyecta aire comprimido, creándose un efecto Nenturi al circular a alta velocidad por un estrechamiento. La bajada de presión producida aspira el líquido desde la cámara de almacenamiento. Al llegar el preparado médico y el chorro de aire a la placa de impactación, el líquido se fragmenta en gotas de tamaño diverso. Las mayores chocan con el deflector y regresan a la cámara, mientras que las menores son arrastradas por el flujo de aire y salen al exterior. Los gases de impulsión pueden ser CFCs (clorofluorocarbona-dos), con las consiguientes incertidumbres ambientales. Atomización electtomdrodmámica de líquidos (electrospray): es una herramienta fundamental de análisis bioquímico (Electrospray Mass Spectrometry, o ESMS), desde que se descubrió su potencial a mediados de la década de los 80. Una de las ventajas que presenta es la mínima cantidad de analito necesaria en el análisis. Sin embargo, para aplicaciones en que se requiere atomizar o disgregar un volumen de líquido suficientemente grande por unidad de tiempo, uno de los problemas fundamentales que presenta el electrospray es su baja productividad. Ejemplos de este tipo de aplicaciones se encuentran en la industria farmacéutica (encapsulación de principios activos), industria alimentaria (encapsulación de distintos ingredientes organolépticos) e industria fitosanitaria. Atomización ultrasónica: escasemente difundida aún, se basa en la circulación de un líquido sobre una superficie que vibra a alta frecuencia. Puede producir gotas muy finas con flujos pequeños.SUBSTITUTE SHEET RULE 26 impaction combined with a defiector. Compressed air is injected, creating a Nenturi effect when circulating at high speed through a narrowing. The pressure drop produced aspirates the liquid from the storage chamber. When the medical preparation and the air jet arrive at the impaction plate, the liquid fragments into drops of varying size. The older ones collide with the deflector and return to the chamber, while the smaller ones are dragged by the air flow and go outside. The discharge gases can be CFCs (chlorofluorocarbon-dos), with the consequent environmental uncertainties. Electro-dynamic atomization of liquids (electrospray): it is a fundamental tool of biochemical analysis (Electrospray Mass Spectrometry, or ESMS), since its potential was discovered in the mid-80s. One of the advantages it presents is the minimum amount of analyte needed in the analysis. However, for applications where it is required to atomize or disintegrate a sufficiently large volume of liquid per unit of time, one of the fundamental problems that electrospray presents is its low productivity. Examples of this type of applications are found in the pharmaceutical industry (encapsulation of active ingredients), food industry (encapsulation of different organoleptic ingredients) and phytosanitary industry. Ultrasonic atomization: scarcely diffused yet, it is based on the circulation of a liquid on a surface that vibrates at high frequency. It can produce very fine drops with small flows.
La llamada tecnología Flσw Focusing (Gañán-Calvo 1998, Physical Revieiv etters 80, 285), mediante el uso de una geometría especial, utiliza la vía neumática para generar microchorros de líquido que posteriormente, pasado el orificio de salida, se rompen en gotas de tamaño muy pequeño y sustancialmente homogéneo. Esta última tecnología también es capaz de generar micro-chorros de líquido mediante otro líquido en lugar de gas, o bien puede generar micro-chorros de gas en el seno de un líquido (el mismo líquido u otro diferente usado como forzador, es decir, con el mismo papel desempeñado por el gas en el procedimiento neumático), con lo cual se generan microburbujas de tamaño perfectamente homogéneo.The so-called Flσw Focusing technology (Gañán-Calvo 1998, Physical Revieiv etters 80, 285), through the use of a special geometry, uses the pneumatic path to generate liquid micro cubes that subsequently, after the exit hole, are broken into drops of Very small and substantially homogeneous size. The latter technology is also capable of generating micro-jets of liquid by another liquid instead of gas, or it can generate micro-jets of gas within a liquid (the same liquid or a different one used as a forger, that is, with the same role played by the gas in the pneumatic process), with which microbubbles of perfectly homogeneous size are generated.
La presente invención, perteneciente al campo de los atomizadores neumáticos, pretende combinar las ventajas de un diseño sencillo y robusto, con la operación en régimen continuo a bajas presiones y mediante un gas impulsor que, en la mayoría de los casos, puede ser aire atmosférico. El bajoThe present invention, belonging to the field of pneumatic atomizers, aims to combine the advantages of a simple and robust design, with continuous operation at low pressures and by means of an impeller gas which, in most cases, can be atmospheric air . The bass
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consumo energético del dispositivo aquí descrito es compatible con una fuente energética renovable: una célula fotovoltaica o un generador eólico, por ejemplo.SUBSTITUTE SHEET RULE 26 The energy consumption of the device described here is compatible with a renewable energy source: a photovoltaic cell or a wind generator, for example.
Descripción de la invenciónDescription of the invention
El objeto de la presente invención es un dispositivo y procedimiento de atomización o nebulización de un líquido mediante el uso de un gas impulsor que es introducido a presión en dicho dispositivo. Ambos fluidos son expulsados al exterior tras su mezcla, produciéndose la salida del líquido en forma de aerosol o suspensión de gotas arrastrada por la corriente de gas. El dispositivo consta de una cámara de almacenamiento de líquido (1), contenida en una botella presurizada, y un cabezal de mezclado (2) entre las dos fases líquida y gaseosa donde se produce la mezcla de ambas, la disgregación de la corriente líquida y la salida al exterior en forma de aerosol. El gas de impulsión penetra en el interior de la botella por una boquilla de inyección (3), situada en la parte alta de dicha botella, saliendo posteriormente por un tubo de evacuación (4) cuyo extremo comunica con el cabezal de mezclado (2). La superficie libre del líquido dentro de la botella es presionada por el gas de impulsión, por lo que el líquido es impulsado hacia el cabezal a través de un tubo de succión (5) cuya boca de aspiración (6) se encuentra próxima al fondo de la botella. El tubo de evacuación dispone de un regulador de pérdida de carga (7). El tubo de succión, a su vez, está dotado de una válvula de tres vías (8), respectivamente comunicantes con la boca de aspiración (6), el cabezal (2), y un conducto polivalente (9), y tres posiciones: obturación de vías de nebulización, salida de gas por el escape e impulsión de la mezcla gas/líquido por el cabezal. Las tres posiciones de dicha válvula se corresponden con tres fases de operación del dispositivo, respectivamente, la fase de apagado o de rellenado-vaciado de líquido, la de purgado de gas en los conductos de impulsión para limpieza del cabezal, y la de atomización.The object of the present invention is a device and method of atomization or nebulization of a liquid by means of the use of a driving gas which is introduced under pressure into said device. Both fluids are expelled outside after mixing, producing the liquid in the form of an aerosol or droplet suspension carried by the gas stream. The device consists of a liquid storage chamber (1), contained in a pressurized bottle, and a mixing head (2) between the two liquid and gaseous phases where the mixing of both occurs, the disintegration of the liquid stream and the exit in the form of aerosol. The supply gas penetrates into the interior of the bottle through an injection nozzle (3), located in the upper part of said bottle, subsequently leaving an evacuation tube (4) whose end communicates with the mixing head (2) . The free surface of the liquid inside the bottle is pressed by the discharge gas, whereby the liquid is propelled towards the head through a suction tube (5) whose suction mouth (6) is close to the bottom of the bottle The evacuation tube has a pressure loss regulator (7). The suction tube, in turn, is provided with a three-way valve (8), respectively communicating with the suction mouth (6), the head (2), and a multi-purpose duct (9), and three positions: filling of fogging tracks, gas leakage through the exhaust and impulsion of the gas / liquid mixture through the head. The three positions of said valve correspond to three phases of operation of the device, respectively, the phase of turning off or filling-emptying of liquid, gas purging in the discharge ducts for cleaning the head, and atomization.
El dispositivo es presurizado por un compresor (10) que impulsa al gas entrante en la cámara de almacenamiento a través de la boquilla de inyección (3). Mediante el citado regulador de pérdida de carga (7) se consigue compensar las caídas de presión asociadas con el recorrido de ambos fluidos en su recorrido por el tubo de succión, tubo de evacuación, válvula y cabezal.The device is pressurized by a compressor (10) that drives the incoming gas into the storage chamber through the injection nozzle (3). By means of the aforementioned pressure loss regulator (7), it is possible to compensate for the pressure drops associated with the path of both fluids in their route through the suction tube, drain pipe, valve and head.
En una variante de la invención, el líquido se introduce en la cámara retirando un tapón (11) donde se encuentran alojados los conductos (4) y (5).In a variant of the invention, the liquid is introduced into the chamber by removing a plug (11) where the ducts (4) and (5) are housed.
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El dispositivo y procedimiento objetos de la presente invención facilita la obtención en régimen continuo de un aerosol de buena caKdad sin necesidad de recurrir a un gas impulsor distinto del aire atmosférico. Una presurización Kgera es suficiente para impulsar la mezcla de fluidos y la atomización del líquido. Ello asegura consumos energéticos muy moderados, lo que hace compatible la invención con fuentes renovables y autosuficientes de energía (colector solar, generador eóKco).SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) The device and method objects of the present invention facilitates the continuous obtaining of a good quality aerosol without resorting to an impeller gas other than atmospheric air. A Kgera pressurization is sufficient to boost fluid mixing and liquid atomization. This ensures very moderate energy consumption, which makes the invention compatible with renewable and self-sufficient sources of energy (solar collector, eóKco generator).
Descripción de las figurasDescription of the figures
Figura 1 : dispositivo con arreglo a la reivindicación primera.Figure 1: device according to claim one.
(1) Cámara de almacenamiento de Hquido contenida en una botella presurizada; (2) Cabezal de mezclado entre las dos fases líquida y gaseosa donde se produce la mezcla de ambas, la disgregación de la corriente Hquida y la saKda al exterior en forma de aerosol. (3) Boquilla de inyección del gas de impulsión, situada en la parte alta de la botella. (4) Tubo de evacuación del gas de impulsión cuyo extremo comunica con el cabezal de mezclado. (5) Tubo de succión. (6) Boca de aspiración próxima al fondo de la botella. (7) Regulador de pérdida de carga. (8) Válvula de tres vías respectivamente comunicantes con la boca de aspiración, el cabezal y un conducto poKvalente. (9) Conducto poKvalente, de escape de gas o reKenado-vaciado de Hquido. (10) Compresor de impulsión del gas en la cámara de almacenamiento. (11) Tapón de alojamiento de los tubos (4) y (5).(1) Liquid storage chamber contained in a pressurized bottle; (2) Mixing head between the two liquid and gas phases where the mixing of both occurs, the disintegration of the liquid stream and the saKda to the outside in the form of an aerosol. (3) Injection nozzle of the supply gas, located in the upper part of the bottle. (4) Supply gas evacuation tube whose end communicates with the mixing head. (5) Suction tube. (6) Suction mouth near the bottom of the bottle. (7) Load loss regulator. (8) Three-way valve respectively communicating with the suction mouth, the head and a poKvalente duct. (9) PoKvalent, gas exhaust or Liquid re-draining duct. (10) Gas discharge compressor in the storage chamber. (11) Tube housing plug (4) and (5).
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