КАПИЛЛЯРНО-ОСМОТИЧЕСКИЙ НАСОС. УСТРОЙСТВО. ОБЛАСТИ ВОЗМОЖНОГО ПРИМЕНЕНИЯ

Немых Георгий Александрович

студент, архитектурно-строительный факультет, ФГБОУ ВПО Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, г. Магнитогорск

E-mail: nemih_msu@mail.ru

Сенчев Александр Владимирович

студент, химико-металлургический факультет, ФГБОУ ВПО Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, г. Магнитогорск

E-mail: alexxxxx92@mail.ru

Во многих областях хозяйственной деятельности человека встает задача доставки водных растворов каких-либо веществ от места их приготовления на некоторую высоту. Так например в сельском хозяйстве для обработки растений растворами минеральных веществ для подкормки, или обработки их пестицидами вода из низины, например озера смешивается с необходимым веществом и доставляется на склонны близлежащих холмов засеянных полезной культурой. Технологически эта несложная задача решается применением насосов различной конструкции. Упрощенно работу этих насосов можно охарактеризовать давлением создаваемым в трубопроводе, величина этого давления определит высоту подъема воды: для случая отсутствия гидравлического сопротивления

                                                                      1)

где P_нас — давление создаваемое насосом,

ρ_раст — плотность поднимаемого раствора,

h_раст — высота на которую раствор поднимается,

g — ускорение свободного падения. Энергетические затраты на работу такого насоса определятся выражением:

                                                         (2)

где A_нас — полезная работа насоса,

V_раст — объем перекаченного раствора,

η_нас — коэффициент полезного действия насоса.

Как видно из выражения (2) никакими улучшениями нельзя сделать E меньшим чем A_нас, но ведь можно вместо механической работы насоса использовать другие источники энергии. Например энергию высвобождающююся в результате выравнивания химического потенциала [1, с. 245].

Рисунок 1. Схема установки КОН

В данной работе предложена конструкция насоса работающего как раз на такой не механической энергии. А именно капиллярно-осмотического насоса (КОН). КОН представляет собой установку собираемую последовательным соединением капиллярных проводников (КП), с осмотическими резервуарами (ОР) (Рисунок 1). Каждый из проводников отделен от соответствующего резервуара (находящегося сверху) полупроницаемой перегородкой обеспечивающей осмотическое «высасывание» воды. Последний, верхний резервуар снабжён системой отгрузки раствора (целевого продукта доставки).

Рисунок 2. Поперечное сечение капиллярного проводника

Капиллярный проводник условно можно представить как связку многих трубочек малого диаметра (Рисунок 2), в действительности это может быть какой либо пористый материал, диаметр открытых пор которого достаточно мал, заправленный в трубу [2, с. 152]. Осмотический резервуар представляет собой сосуд наполненный раствором какого либо вещества, причем если нумеровать с низу то выполняется правило: концентрация каждого ОР больше концентрации ОР ему предшествующего. Связку КП со своим ОР назовем коленом, так на схеме представленной на (Рисунке 1), установка состоит из трех колен. В каждом колене, за исключением последнего, при условии большой скорости диффузии, концентрация раствора строго постоянна. Причем концентрация в некотором КП равна концентрации в предыдущем ОР. Это обусловлено тем фактом, что количество растворенного вещества в колене остаётся постоянным, а количество выходящей из колена воды равно количеству воды в него приходящей (условие стационарной работы) (Рисунок 3).

Рисунок 3. Схема распределения концентрация по КОН

Концентрацию источника воды считаем равной нулю. В последнем ОР концентрация будет самопроизвольно понижаться за счет постоянного разбавления поступающей снизу водой, предотвратить это можно, например введением в резервуар избытка растворенного вещества, если скорость растворения будет равна скорости поступления воды, то концентрация в нем также будет постоянна (например, если растворимость этого вещества будет равна его концентрации).

Функции в каждом колене распределены так: КП служит для подвода раствора к ОР (за счет избыточного капиллярного давления), а ОР перекачивает воду через полупроницаемую перегородку, совершая работу «извлечения» за счет осмотического давления.

Оценочный расчет основных параметров КОН

Основными параметрами КОНа являются:

·     количество колен, n

·     радиус капилляров в КП, r,м (считается одинаковой для всех колен)

·     высота колена = высоте проводника

·     концентрация каждого осмотического резервуара

Оценим эти параметры:

Условием работы КОНа является выполнение неравенства:

P_{осм  i}> Р_{кап i}   и  Р_{кап i}= Р_{гидр i}                                                                             (3)

Где P_{осм I} — осмотическое давление создаваемое i-м резервуарам по отношению к i-му капиллярному проводнику, Р_{кап i} — капиллярное давление i-го КП, Р_{гидр i}— это гидростатическое давление столба воды высотой равной высоте i-го КП.

Заменим условие (3) выражением:

;    k>1                                                    (4)

Согласно уравнению Вант-Гоффа [4, с. 305] и закону Лапласа для сферической поверхности жидкости в капилляре  [3, с. 94] при условии его смачиваемости водой, условие (4) примет вид:

                           (5)

— концентрация в i-м ОР, моль/м³,

R — универсальная газовая постоянная равная — 8,31 Дж/моль*К,

Т — температура,

К, — поверхностное натяжение раствора в i-м колене, Н/м²,

r — радиус капилляра, м,

 — высота i-го колена, м. Из уравнения (5) выразим

                                           (6)

Так как закон Лапласа имеет определенные ограничения, а именно он выполняется достаточно точно, если радиус кривизны поверхности жидкости (b — молекулярный размер) [Б.Д. Сумм — Основы коллоидной химии] диаметр капилляра нельзя делать слишком маленьким. С учетом этих соображений и вида закона Лапласа радиус капилляра в капиллярном проводнике примем равным по порядку микрометру. Тогда найдем высоту подъема такого колена: в случае когда оно одно (всасывается чистая вода — σ = 72,75*10^-3 H/м², ρ = 1000 кг/м³) его высота составит:

;                              (7)

Концентрация осмотического резервуара соответствующая такому давлению:

    (8)

Теперь найдем высоту всей установки состоящей из n колен:

       (9)

Можно оценить максимальную высоту подъема воды такой установки, считая, например = 1 моль/л. Примем  постоянной и равной и k близкому к 1. Тогда полученное выше выражение примет вид:

= .

Довольно приличная величина, в случае произвольной высоты, с учетом приведенных выкладок имеем:

·     количество колена, n определим из выражения (9), упрощенно и приблизительно можно использовать формулу: n = H/Hколена.i

·     радиус капилляров в КП, r,м , определяется из условия r>>b (b – молекулярный размер)

·     высоту каждого колена посчитаем с помощью уравнения (6)

·     концентрацию каждого осмотического резервуара определим из выражения (5) положив, например k = 1,1.

Возможные области применения.

Основное достоинство КОНа заключается в том, что для работы он не нуждается в подводе, какой-либо энергии со стороны человека. Естественно закон сохранения энергии в нем не нарушается, энергия берется в результате растворения осмотического агента в поднимаемой воде. Поэтому в случае, когда целевой продукт доставки на высоту — раствор какого-либо соединения применение КОНа будет, безусловно, выгодным. Это его свойство так же определяет область возможного его применения: любая хозяйственная деятельность использующая, какие либо растворы.

В данной работе мы рассмотрим, как пример, использование КОНа для нужд сельского хозяйства.

На (Рисунке 4) представлена схема установки для обработки поля удобрениями и пестицидами. Для простоты на схеме представлен одноколенный КОН, погруженный нижним концом КП в колодец с водой. В ОР загружается растворимое вещество, вносимое в почву или распыляемое на растения,  оно и будет выполнять роль осмотического агента. По периметру ОР к разгрузочным окнам присоединяются шланги, другим концом соединенные с разбрызгивающими форсунками, установленными по обрабатываемому полю.

Рисунок 4. Схема установки для обработки полей удобрениями и пестицидами

КОН подкачивает воду из колодца, и отправляет по шлангам готовый раствор к форсункам, распыляющим его под действием гидростатического давления. В случае необходимости сменить распыляемое вещество, в ОР вместо очередной порции старого вносят новый осмотический агент, и процесс повторяется.

Возможность использования КОНа для поднятия чистой воды.

В случае, когда целевой продукт доставки — раствор, выгода применения КОНа очевидна, но зачастую требуется поднимать воду, сохраняя ее чистоту, или сохранять агент (соль) в пределах КОНа. В этом случае раствор из последнего ОР необходимо, подвергнуть разделению, это можно сделать несколькими способами, приведем два из них:

1.  Выделить осмотический агент из раствора в виде осадка или удалить в виде газа.

2.  Отделить воду от растворенного вещества применив обратный осмос.

Первый способ не всегда применим, поэтому неудобен. К тому же он сопровождается регулярным расходом осмотического агента, что обязательно скажется на стоимости его работы. Применение второго способа, вероятно, сведет на нет энергетический выигрыш КОНа по сравнению с обычными насосами. Но как бы то ни было на (Рисунке 5) представлена схема такой конструкции. Отличием её от простого КОНа заключается в том, что из последнего ОР через разгрузочное окно раствор поступает в камеру-приемник раствора, отделенную полупроницаемой перегородкой от камеры приема чистой воды. После набора очередной порции, поршень создает давление в камере с раствором равное или большее чем осмотическое для данного раствора, и «выдавливает» чистую воду через перегородку. Очевидно, что для работы такой системы затрата энергии необходима, и выигрыш возможен лишь в случае если ее КПД окажется выше КПД стандартных насосов.

Рисунок 5. КОН с разделительным устройством

Список литературы

1.Карякин Н.В. Основы термодинамики: Учеб. пособие для вузов. — М.: Издательский центр «Академия», 2003. — 464 с.

2.Песков Н.П., Александрова-Прейс Е.М. Курс коллоидной химии. — М.: Госхимиздат, 1948. — 386 с.

3.Сумм. Б.Д. Основы коллоидной химии: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений. — М.: Издательский центр «Академия», 2006. — 240 с.

4.Эткинс. П., Дж. де Паула. Физическая химия. В 3-х ч. Ч. 1: Равновесная термодинамика. — М.: Мир, 2007. — 494 с.