Способ создания стратифицированных бинарных растворов при заполнении кювет Советский патент 1990 года по МПК G01N21/11 

Изобретение относится к лаборатор- |ному оборудованию и предназначено для проведения гидрофизических иссле- Йований с применением оптических ме- тодов, а точнее, для моделирования тонкой структуры стратифицированной жидкости и происходящих в ней процессор, обусловленных, например, двойной диффузией.

Цель изобретения - уменьшение времени создания стратифицированных бинарных растворов с плотностпым отношением R 2,2.

На чертеже изображена схема созда- ния стратифицированных жидкостей в гидрофизической кювете.

На схеме изображена гидрофизическая кювета 1 с пирамидальным днищем 2, в вершину которого вклеен рассе- (катель 3. Днище 2 кюветы через присоединительный штуцер 4 и гибкий шланг 5 соединено с контейнерами 6 и 7, сообщающимися друг с другом через шланг 8. В контейнере 6 распо- ложена вертушка 9 дли гомогенизации растворов. Шланг 5 краном 10 связан с контейнерами (сосудами) 6 и 7 и краном 11 с дополнительным контейнером (сосудом) 12.

Сумма площадей 6д(х).и 6В (х) контейнеров 6 и 7 в любом горизонтальном сечении постоянна и равна площади горизонтального сечения 6К Lx- Ly рабочей камеры кюветы 1. Вид функций &//х) (или ()) определяется видом требуемой вертикальной стратификации T(z) (или S(z)). Более плотный раствор свободно поступает из контейнера 7 в контей- нер 6 таким образом, что уровни жидкостей в обоих контейнерах всегда совпадают.

Воронкообразное нижнее днище 2 кюветы в виде конуса или пирамиды необходимо для свободного растекания поступающего раствора с постепенно увеличивающейся плотностью и выполняет функцию стыковочного звена между

5 0

5

5

подводящим раствор гибким шлангом 5 с малым горизонтальным сечением и рабочей камерой кюветы 1 с существенно большим горизонтальным сечением. Рассекатель 3 предназначен для подавления эффекта струи и гашения вихреобразований вне полости рассекателя 3, приводящих к паразитному перемешиванию и искажению требуемой стратификации. Рассекатель 3 ставляет собой стеклянно-керамичес- кий фильтр, выполненный по форме пирамидального днищэ 2 и вклеенный Е вершину пирамидального днища 2. Так как в этом случае (при отсутствии вихреобразований вне рассекателя) паразитное перемешивание, приводящее к искажению вертикальной стратификации, происходит только в полости рассекателя 3, то, зная геометрические размеры рабочей камеры кюветы 1 L х и L у, а также допустимый верти- калъньм масштаб искажения стратификации Д , можно рассчитать требуемый объем рассекателя V, не приводящий к искажению стратификации более допустимого,

V Lx- L у. А .

Пример. Геометрические размеры рабочей камеры (исходя из требований к кювете при исследовании процессов двойной диффузии) L х 200 мм; L у 50 мм; L 2 200 мм. Высота пирамидального днища Н 100 мм. Внутренний диаметр присоединительного штуцера и гибкого шланга 5 мм. Высота рассекателя h 30 мм. Рассекатель - стеклянно-керамический фильтр № 1 (пористость - 100 мкм).

Высота рассекателя рассчитана таким образом, чтобы вертикальньй масштаб искажения стратификации не превышал допустимый ( А 1 мк). Для этого объем рассекателя должен быть не больше

V L,

Л 200-50-1

10000 (мм3) .

При данных геометрических пропорциях пирамидального днища объем V вклеенного в его вершину рассекателя (представляющего собой пирамиду с основанием

9Ь Ь

2h.5

и высотой h)

V «

h3

з

Таким образом, ч обы вертикальныи масштаб искажения стратификации не превышал Л 2 мм, высота рассекателя должна быть не более, т.е.

з

h УЗОООО мм;

h 30 мм.

Высота пирамидального днища Н 100 мм и внутренних диаметров присоединительного штуцера и гибкого шланга подобраны экспериментально таким образом, чтобы полное время безвихревого наполнения кюветы не превышало 20 мин.

Способ осуществляют следующим образом.

Наполняют сообщающиеся контейнеры (сосуды) 6 и 7 растворами различной плотности. В контейнере 6 производят постоянную гомогенизацию раствора вертушкой 9. В кювету 1 снизу через присоединительный штуцер 4 по гибкому шлангу 5, открытый кран 10 пода- ,ют раствор с изменяющимся компонентным составом с увеличивающейся по мере поступления плотностью на рассекатель 3, который, подавляя эффект струи и вихреобразования вне полости рассекателя, пропускает стратифицированный раствор. Поступающий раствор ламинарно растекается в кювете 1 с постепенно увеличивающейся плотностью. Скорость подачи растворов в кювету 1 регулируют изменением гидростатического давления при подъеме или опускании над кюветой 1 вспомогательных сообщающихся контейнеров 6 и 7. Эту скорость наполнения кюветы 1 устанавливают максимальной, которая обеспечивает отсутствие вихревых структур D области рассекателя 3 при наполнении кюветы. Контроль

10

5

0

5

0

5

0

5

0

5

отсутствия таких вихревых структур может производиться по следующей методике. Отсутствие вихреобразова- ний соответствует равномерной освещенности полупрозрачного экрана 13, расположенного по другую сторону пирамидального дна кюветы 1, направляемого линзой 1 оптического излучения.

После того, как в кювету введено из всгомогательных контейнеров необходимое количество стратифицированного раствора, гервый кран 10 перекрывают и открывают второй кран 11, через который из третьего сосуда 12 вводится заранее дозированный объем (равный объему пирамидального дна) намного более плотной жидкости (например, концентрированного раствора NaCl), которая вытесняет стратифицированный раствор в рабочую (прямоугольную) камеру кюветы.

Росте этого стадия создания стратификации в- кювете считается законченной и могут производиться как оптические, так и контактные исследования происходящих процессов, обусловленных, например, двойной диффузией.

Экспериментально установлено, что при предлагаемом способе наполнения кюветы снизу вверх можно существенно сократить полное время создания стратифицированного раствора (включая время вытеснения стратифицированного раствора в рабочую камеру более плотной жидкостью), не возбуждая при этом вихреобразований. Полное время создания стратификации в кювете с размерами рабочей камеры LA 200 мм, Ly 50 мм, 1-2 200 мм не превышает 20 мин. Уменьшение времени наполнения кюветы достигается тем, что раствор в кювету подается под давлением, а не в режиме свободного просачивания. Эффект струи и вихреобразование полностью демпфируются в полости рассекателя, после чего стрг тифицированный раствор ламинарно вытесняется более плотным раствором в рабочую камеру кюветы.

Уменьшение вертикального масштаба искажения требуемой стратификации достигается тем, что рассекатель расположен в вершине пирамидального дна кюветы. Это приводит ч тому, что при требуемом объеме рассекателя, рассчитанном по горизонтальным размерам рабочей камеры кюветы и допусти-

мому вертикальному масштабу искаже- | Ния стратификации, вертикальный раз- Мер рассекателя оказывается достаточным, чтобь- полностью демпфировать эффект струи и вихреобразование в ббласти вне рассекателя при достаточно большой скорости подачи растворов.

Таким образом, при использовании Предлагаемого способа повышается Достоверность исследований тонкой с1трукту(ры стратифицированных растворов за счет значительного уменьшения вертикального масштаба искажений при расширении диапазона исследуемых процессов.

Кроме того, использование предлагаемого способа позволяет решать за- Дачи моделирования гидрофизических процессов в стратифицированных жидкостях, двойной диффузии, в более Широком диапазоне параметров и с характерным вертикальным масштабом искажения .стратификации, не превышающим допустимый.

r

0

5

Формула изобретения

Способ создания стратифицированных бинарных растворов при заполнении кювет для исследований процессов, обусловленных двойной диффузией, заключающийся в том, что запопняют два сообщающихся сосуда растворами различной плотности, гомогенизируют растворы вертушкой, подают в кювету последовательно растворы различной плотности, демпфируют вихреобразова- ния в кювете рассекателем, отличающийся тем, что, с целью уменьшения времени создания стратифицированных бинарных растворов с плотностным отношением R 2,2, подачу растворов в кювету осуществляют снизу ввйрх через рассекатель нижнего воронкообразного дна кюветы,, причем растворы подают по мере возрастания их плотности с максимальной скоростью, которую регулируют, изменяя гидростатическое давление подачи путем изменения уровня сообщающихся сосудов.

Изобретение относится к лабораторному оборудованию и предназначено для проведения гидрофизических исследований с применением оптических методов, а точнее для моделирования тонкой структуры стратифицированной жидкости и приосходящих в ней процессов, обусловленных, например, двойной диффузией. Цель изобретения - уменьшение времени создания стратифицированных бинарных растворов с плотностным отношением R = 2,2. Способ заключается в том, что заполняют два одинаковых по объему сообщающихся сосуда 6 и 7 растворами различной плотности и, гомогезируя их вертушкой 9, подают в кювету 1 растворы разной плотности последовательно по мере ее возрастания, демпфируют вихреобразования в кювете рассекателем 3, одновременно направляют на кювету пучок коллимированного излучения и отображения процессов визуально регистрируют на экране 13. Для повышения скорости создания таких растворов подачу растворов осуществляют снизу вверх через рассекатель 3 нижнего воронкообразного днища 2 и с максимальной скоростью, которую регулируют, изменяя гидростатическое давление подачи путем изменения уровня сообщающихся сосудов. 1 ил.