Ztráty tlaku v mikrofluidních zařízeních

Podobné dokumenty
REKTIFIKACE DVOUSLOŽKOVÉ SMĚSI, VÝPOČET ÚČINNOSTI

REOLOGICKÉ VLASTNOSTI ROPNÝCH FRAKCÍ

HODNOCENÍ ASFALTŮ

3. STANOVENÍ RYCHLOSTI PROPUSTNOSTI PRO PLYNY U PLASTOVÝCH FÓLIÍ

MECHANIKA KAPALIN A PLYNŮ POJMY K ZOPAKOVÁNÍ. Testové úlohy varianta A

Laboratorní práce č. 1: Určení výtokové rychlosti kapaliny

5 Charakteristika odstředivého čerpadla

Ústav fyziky a měřicí techniky Laboratoř chemických vodivostních senzorů

Montážní návod.

Invertorová svářečka BWIG180

Stanovení účinnosti spalování biomasy, měření emisí

Praktikum I Mechanika a molekulová fyzika

12 Prostup tepla povrchem s žebry

PÍSTOVÁ ČERPADLA. Jan Kurčík 3DT

F E R E L, s. r. o. NÁVOD PRO MONTÁŽ A POUŽITÍ. Integrovaný solární kolektorový systém. typ: plochý ISKS FEREL - 10

FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM FJFI ČVUT V PRAZE. Měření Poissonovy konstanty vzduchu. Abstrakt

Třecí ztráty při proudění v potrubí

PDF created with FinePrint pdffactory Pro trial version SPOJKA ČÁST 5 SPOJKA. Rozložená spojka je rozkreslena na (Obr. 1).

Měření kinematické a dynamické viskozity kapalin

Šetrná jízda. Sborník úloh

8. TLAKOMĚRY. Úkol měření. Popis přípravků a přístrojů

chemie chemické reakce Cíle Podrobnější rozbor cílů Zařazení do výuky Časová náročnost Zadání úlohy Návaznost experimentů Mezipředmětové vztahy

Sešit pro laboratorní práci z chemie

Charakteristika fotovoltaického panelu, elektrolyzéru a palivového článku

Montážní návod.

INJEKTOR KAPALNÝCH HNOJIV A CHEMIKÁLIÍ AMIAD

SERVISNÍ INSTRUKCE ODVZDUŠNĚNÍ SYSTÉMU MAZÁNÍ MOTORŮ ROTAX. ŘADY 912 i, 912 a 914 SI-912 i-004 SI R1 SI R1

Zařízení určené k odsávání použitých olejů

Sada Látky kolem nás Kat. číslo

Úloha č. 8 Vlastnosti optických vláken a optické senzory

Výtok kapaliny otvorem ve dně nádrže (výtok kapaliny z danaidy)

V i s k o z i t a N e w t o n s k ý c h k a p a l i n

NÁVOD K MONTÁŽI A OBSLUZE

DF200 Montážní návod.

Návod k montáži a obsluze. pro solární stanice. FlowStar-SOL B-F (CS 13 W)

FL-1000 Série. Rotametry pro čisté kapaliny

fenanthrolinem Příprava

2. DOPRAVA KAPALIN. h v. h s. Obr. 2.1 Doprava kapalin čerpadlem h S sací výška čerpadla, h V výtlačná výška čerpadla 2.1 HYDROSTATICKÁ ČERPADLA

3 - Hmotnostní bilance filtrace a výpočet konstant filtrační rovnice

GROZ VZDUCHOVÝ MAZACÍ LIS 20KG GP1/ST/501/BSP

DÍLENSKÁ PŘÍRUČKA. Dvouokruhové brzdné zařízení

Řídicí moduly elektromotoru NLX pro systémy A-dec 300 a A-dec 500 I n s t a l a č n í p ř í r u č k a

Poloautomatický bazénový vysavač. Kontiki 2. Návod k použití

NÁVOD NA MONTÁŽ integrované čerpadlové stanice RESOL FLOWSOL BASIC

PÍSKOVÁ FILTRACE INTEX

SKUPINOVÁ ANALÝZA MOTOROVÝCH NAFT

Solární stanice AGS

Ponorné tlakové čerpadlo P 5400/40. Návod k montáži a obsluze

PŘÍKLADY Z HYDRODYNAMIKY Poznámka: Za gravitační zrychlení je ve všech příkladech dosazována přibližná hodnota 10 m.s -2.

Pneumatické olejové čerpadlo 3:1

Montážní návod pro vakuový solární kolektor s přímým průtokem. Hotjet Seido 2. Strana: 1 z 15 v 1.00/2009/06

CoolTop. Unikátní klimatizační jednotka pro horní chlazení serveroven a datových sálů AC-TOPx-CW-240/60

ÚLOHA R1 REGULACE TLAKU V BRÝDOVÉM PROSTORU ODPARKY

Hydrobox HBX mini pro tepelná čerpadla vzduch voda AWX ARCTIC Exclusiv a AWX PERFORMANCE

PRÁCE S ROZTOKY A JEJICH KONCENTRACE

NÁVOD K INSTALACI A ÚDRŽBĚ (CZ)

Obnovitelné zdroje energie. Sborník úloh

NANOFILTRACE INDIGOKARMÍNU

NÍZKOTEPLOTNÍ VLASTNOSTI PALIV A MAZIV ÚVOD

Uvádí zakázaný úkon či postup. Uvnitř nebo u kruhu je znázorněna konkrétní situace z praxe, které je nutno zamezit.

VODNÍ RECYKLACE VODNÍ RECYKLACE PRO PRACÍ STROJ S JEDNÍM VYPOUŠTĚCÍM VENTILEM PŮVODNÍ MANUÁL K INSTALACI A ÚDRŽBĚ

GS 501. Návod k obsluze

Laboratorní úloha č. 1 Základní elektrická měření

Uživatelská příručka a Instalační příručka. Pro instalatéra a uživatele. Uživatelská příručka a Instalační příručka VWZ MWT 150

CVIČENÍ č. 11 ZTRÁTY PŘI PROUDĚNÍ POTRUBÍM

Proudění viskózní tekutiny. Renata Holubova

WQZ. WQZ Ponorné kalové čerpadlo určeno pro míchání a současné čerpaní

Mechanika tekutin. Tekutiny = plyny a kapaliny

Směšovací uzly USJR. průměry DN40 a DN50. Instalační firma: Servisní telefon: Datum Počet stran Číslo dokumentu 3/ PI-USJ-RV-02-C

Kalibrace teploměru, skupenské teplo Abstrakt: V této úloze se studenti seznámí s metodou kalibrace teploměru a na základě svých

NÁVOD K INSTALACI A ÚDRŽBĚ (CZ)

Návod k instalaci a obsluze elektronické oběhové čerpadlo

(1) Řešení. z toho F 2 = F1S2. 3, 09 m/s =. 3, 1 m/s. (Proč se zde nemusí převádět jednotky?)

5 Vsádková rektifikace vícesložkové směsi. 1. Cíl práce. 2. Princip

Doplněk návodu k montáži a obsluze

Ponorné tlakové čerpadlo P 5400/40. Návod k montáži a obsluze

PROCESY V TECHNICE BUDOV cvičení 3, 4

AUTOMATICKÝ VYSAVAČ BARACUDA

Filmová odparka laboratorní úlohy

Autor: Bc. Tomáš Zelenka Obor: Fyzikální chemie povrchů

Návod k obsluze Řídicí systém PX

BAZÉNOVÉ ODVLHČOVAČE. Calorex DH 75 DH 110. Montážní návod * Návod k obsluze a údržbě. Bezpečnostní upozornění. Instalace model DH 75 / 110

HUSTOTA ROPNÝCH PRODUKTŮ

NÁVOD. DÁVKOVACÍ ČERPADLO řady GM NA INSTALACI, POUŽITÍ A ÚDRŽBU

CP (2010/08) DE/AT/CH/FR/ GB/IT/NL/PO/PT/RO/ES/CZ/TR

Neutralizace, měření senzorem ph Vernier Laboratorní práce

OBSAH. Control Valves. RX63B-3+B Řídící ventil - návod. Váš lokální prodejce řídícího ventilu RX:

KERN YDB-03 Verze /2014 CZ

2. Chemický turnaj. kategorie starší žáci (9. ročník, kvarta) Zadání úloh. Teoretická část. 45 minut

13/sv. 8 (85/503/EHS) Tato směrnice je určena členským státům.

Návod k laboratornímu cvičení. Vodík a kyslík

Teplovodní tlaková myčka Série W

Ponorné čerpadlo Překlad původního návodu k použití a údržbě

NÁVODY DO LABORATOŘE PROCESNÍHO INŽENÝRSTVÍ II studijní opora

Návod k obsluze. Plnicí stanice BS01. k použití s kompletními stanicemi typové řady KS od data výroby 08/ /2002 CZ Pro obsluhu

2.3 Tlak v kapalině vyvolaný tíhovou silou Tlak ve vzduchu vyvolaný tíhovou silou... 5

Návod k montáži. Potrubní spojení Logano G125 s Logalux LT300 Logano G125/GB125 s Hořák a Logalux LT300. Příslušenství. Pro odbornou firmu

3 Ztráty tlaku při proudění tekutin v přímém potrubí a v místních odporech

VYPOUŠTĚCÍ VOZÍK WOD-68

Návod na obsluhu a údržbu. přístroje na odsávání oleje a odvzdušňování brzd typ HW - ÖBG. Obj. č. D

Transkript:

Ztráty tlaku v mikrofluidních zařízeních 1 Teoretický základ Mikrofluidní čipy jsou zařízení obsahující jeden nebo více kanálků sloužících k manipulaci a zpracování tutin nebo k detci chemických slož v tutinách. Mají charakteristické rozměry v řádu 1-1000 μm. Nejčastěji je charakteristickým rozměrem průměr nebo šířka kanálku. Charakteristickým rysem mikrofuidních zařízení je laminární charakter toku tutin v kanálcích. Mezi výhody mikrofluidních zařízení patří: Krátké transportní vzdálenosti a z toho plynoucí kratší reakční doba Malá spotřeba reaktantů Snadná paralelizace Velký poměr velikosti vnitřního povrchu k velikosti vnitřního objemu Mezi nevýhody patří: Velká tlaková ztráta při plnění kapilár mechanickými čerpadly Obtížné čištění kanálků 1.1 Tlaková ztráta Při popisu tlakové ztráty v mikrofluidních kanálech vyjdeme ze základního tvaru Bernoulliovy rovnice kde p je tlak, v je rychlost proudění tutiny v kanálku, z je geometrická výška a e dis je disipovaná energie. Indexy 1 a značí vstup a výstup kanálku. Po úpravě a dosazení za disipovanou energii (1) dostaneme Bernoulliovu rovnici v upraveném tvaru () neboť geometrické výšky z a rychlosti v na obou koncích kanálku předpokládáme stejné. Ve vztahu pro disipovanou energii představuje součinitel tření, l je délka kanálku a d je vivalentní hydraulický průměr obecného kanálku. Charakter toku tutin v potrubí lze vyjádřit pomocí bezrozměrného Reynoldsova kritéria (3) kde je dynamická hustota a je hustota dopravované kapaliny. V případě laminárního proudění (Re<300), což je i případ mikrufluidních kanálků, lze součinitel tření vyjádřit pomocí experimentálně ověřeného teoretického poznatku (4) (5)

kde K je konstanta závisející na tvaru průřezu kanálku. Po dosazení do vztahu pro tlakovou ztrátu dostaneme což je Hagenova-Poiseuilleova rovnice. 1.1.1 Kruhový průřez Rychlost proudění pro kruhový průřez lze vyjádřit jako V 4V v S d Po dosazení do vztahu pro výpočet vivalentního hydraulického průměru (6). (7) d 4 d 4S 4 O d můžeme odvodit vztah pro výpočet ztráty tlaku v mikrofluidním kanálku s kruhovým průřezem: Pro kruhový průřez K=64. Ukázka výpočtu pro kruhový průřez Průtok tutiny kanálkem lze vyjádřit jako: d p K 64 4V 18 v V 4 l d d d d (8). (9) (10) Po dosazení do vztahu (9) dostaneme vztah pro výpočet hmotnosti tutiny protlé kanálkem v závislosti na geometrii uspořádání a době trvání experimentu: Zadané parametry: Délka kanálku l = 10 cm. Ztráta tlaku p = 100 kpa. Dynamická viskozita (H O, 0 C, el. tab.) = 1,0019 10-3 Pa s. Hustota (H O, 0 C, el. tab.)=998, kg m -3. (11) Průměr kanálku d 1 =50 m. Doba trvání experimentu =30 s. ( ) Průměr kanálku d =00 m. Doba trvání experimentu =600 s. ( )

Tabulka 1 shrnuje výsledky výpočtů pro průměry kanálku 00 m, 100 m, 50 m, 5 m a 1,5 m a dobu trvání experimentu od 30 sund do 10 minut. Tabulka 1: Ukázka výsledných hmotnostních průtoků tutiny kanálkem kruhového průřezu pro různé průměry kanálku v závislosti na době trvání experimentu pro ztrátu tlaku 100 kpa a délku kanálku 10 cm. 30 s 1 min min 5 min 10 min d [m] hmotnost [g] 00 1,1738,3475 4,6951 1,1738 10 1,3475 10 1 100 7,3361 10-1,467 10-1,9344 10-1 7,3361 10-1 1,467 50 4,5850 10-3 9,1701 10-3 1,8340 10-4,5850 10-9,1701 10-5,8656 10-4 5,7313 10-4 1,1463 10-3,8656 10-3 5,7313 10-3 1,5 1,7910 10-5 3,581 10-5 7,1641 10-5 1,7910 10-4 3,581 10-4 V dalším textu odvodíme vztahy pro obdélníkový a čtvercový průřez a pro štěrbinu. 1.1. Obdélníkový průřez Vztah pro výpočet rychlosti toku tutiny kanálkem s obdélníkovým průřezem V V v S ab. (1) Vztah pro výpočet vivalentního hydraulického průměru pro obdélníkový průřez d 4S 4ab O a b. (13) Po dosazení a úpravě dostaneme vztah pro výpočet ztráty tlaku v kanálku s obdélníkovým průřezem p K K v l d ab a b V K a b 3 3 ab 8 a b 1.1.3 Čtvercový průřez Pro kanál s čtvercovým průřezem můžeme vyjít ze vztahu (14). Po dosazení a = b dostaneme konečný vztah V. (14) p K a b V (15) 4 l a 1.1.4 Štěrbina Štěrbina je kanál s obdélníkovým průřezem, kdy jedna strana, např. výška kanálku, je řádově menší než druhá. Odvození je následovné h a b d 4S 4hb p K 1 h V 3 O b l 8 h b (16)

Cíle práce 1) Změřte průtok čerpané kapaliny mikročipem v závislosti na zvoleném rozdílu tlaků pro dva různé mikročipy. ) Sestavte závislost průtoku na použitém rozdílu tlaků. 3) Odhadněte délku mikročipů pomocí kamery a programu Nis-Elements ve stanici pro práci Vícefázový tok v mikrofluidních zařízeních (VT). Vypočtěte průměr kanálků obou mikročipů. 3 Popis experimentálního zařízení Kapalina během měření prochází mikročipem, který je součástí stavebnice. Stavebnice sestává z plastové desky s montážními otvory, z mikročipů s různou geometrií kanálků a z montážních spoj a šroubů. Zvolený mikročip je připevněn k desce a propojen se zbytkem aparatury přívodní hadičkou a odvodní kapilárou (Obr. 1). Nejprve je potřeba ze zásobní kádinky přes třícestný ventil nasát čerpanou kapalinu do rezervoáru s výtlačným pístem. Umístění závaží na plošinu propojenou se zásobním válcem a výtlačným pístem zajistí kontinuální dopravu kapaliny přes třícestný ventil do plastové hadičky a následně do mikročipu. Z mikročipu je kapalina dopravována kapilárou do laboratorních vah, kde odkapává na Petriho misku, a je tak zaznamenáván průtok. 1 3 4 6 5 Obr. 1: Měřící aparatura. 1 Plošina se závažím, zásobní kádinka s dopravovanou tutinou, 3 třícestný ventil, 4 zásobní rezervoár s výtlačným ventilem, 5 deska s mikročipy a přívody, 6 7

trubička s kapilárou, 7 laboratorní váhy. 4 Postup práce 1) Ze stavebnice vyberte podle zadání dva mikročipy s jednoduchým meandrem (označení Delay). Prohlédněte si je pomocí kamery a programu NIS Elements ve stanici pro práci Vícefázový tok v mikrofluidních zařízeních (VT). Pomocí programu NIS-Elements změřte délku kanálků (pro postup viz návody k práci VT, postup bude rovněž vysvětlen asistentem). Změřenou délku zapište do protokolu. ) Mikročipy pomocí montážních šroubů připevněte k desce s přívody. Mezi mikročipy a desku umístěte těsnící kolíky. Dále k desce přišroubujte spojky pro připojení hadič. Nakonec ke spojce prvního mikročipu připojte odvodní kapiláru vedoucí k laboratorním vahám. Ukázka zapojení je na Obr.. Obr. : Ukázka zapojení mikročipu do stavebnice 3) Třícestný ventil nastavte tak, aby byla propojena zásobní kádinka s válcovým rezervoárem. Plošinu pro závaží vysuňte nahoru a zajistěte zarážkou. Píst válce by se měl vlastní vahou posunout dolů a tím nasát čerpanou kapalinu. Pokud válec obsahuje vzduchové bubliny, vytlačte kapalinu do zásobní kádinky a opět ji nasajte do válce. Případně opakujte do odvzdušnění aparatury. 4) Třícestný ventil nastavte do polohy, aby byl propojen válcový zásobník s přívodní hadičkou k mikročipu. Odstraňte zarážku a nechte vlastní vahou aparatury vytlačit trochu tutiny hadičkou do kádinky. Tímto dojde k odvzdušnění hadičky. Hadičku připojte ke stavebnici. V zásobním válci doplňte tutinu a zajistěte aparaturu zarážkou (viz předchozí bod). 5) Odvodní kapiláru zasuňte do trubičky a protáhněte ji skrz, aby kapalina odkapávala do Petriho misky s víčkem umístěné na laboratorních vahách. 6) Odstraňte zarážku a na plošinu umístěte první závaží podle zadání (třícestný ventil spojuje válcový zásobník s mikročipem). Použitým závažím budete nastavovat rozdíl tlaků. Kapalina bude kontinuálně vytlačována přes mikročip a kapiláru do Petriho misky. Upravte kapiláru a víčko Petriho misky tak, aby kapalina odkapávala přímo na dno Petriho misky a ne na víčko. Případnou kapalinu na víčku odsajte ubrouskem. Po ustálení toku začněte samotné měření. Na displeji vah odečítejte množství protlé kapaliny a pomocí stop zaznamenejte čas experimentu. 7) Stejným způsobem proveďte experiment s dalšími závažími podle zadání. Následně zopakujte celý experiment pro druhý mikročip. 5 Vyhodnocení experimentálních výsledků Pro oba mikročipy sestavte grafickou závislost průtoku kapaliny mikročipem na rozdílu tlaku. Ze vztahu (9) popř. (11) vypočítejte průměr kanálku pro každý mikročip a pro každé měření. Jako délku

kanálku použijte hodnotu získanou z programu NIS-Elements. Pro každý mikročip vypočtěte střední hodnotu průměru kanálku. 6 Bezpečnost práce Pracovní kapalina je zředěný roztok hydroxidu sodného pro větší názornost obarvený fenolftaleinem. Fenolftalein je toxický, a proto při práci dbejte zvýšené pozornosti a používejte ochranné pomůcky. Zásobní rezervoár a válcový píst jsou vyrobené ze skla a mohlo by dojít k jejich zasnutí a prasknutí, pracujte s nimi proto opatrně. 7 Kontrolní otázky 1) Jaké jsou výhody/nevýhody mikrofluidních zařízení? ) Z jaké rovnice se vychází při popisu ztráty tlaku při proudění tutin potrubím? 3) Jaké bezrozměrné kritérium se používá k popisu charakteru toku tutin v potrubí? 4) Jaký charakter toku převládá v mikrofluidních zařízeních? 5) Jak závisí ztráta tlaku na délce a průměru kanálku? 6) Jakým způsobem nastavíte rozdíl tlaků? 7) Jak budete měřit průtok kapaliny?