Способ транспортировки и дозировки жидких сред и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК F04F1/16 H02K44/00 

Изобретение относится к электрическим машинам, в которых взаимодействие между потоком токопроводящей жидкости и электрическим полем обеспечивает преобразование электрической энергии в движущуюся массу.

Изобретение может быть использовано в первую очередь в научном приборостроении, химической аналитике, а также в фармакологии, агротехнике и т.д.

Известны механические насосы, в которых перемещение жидких сред вызывается движением механических узлов: поршней, лопастей, роторов, а также за счет разности гидростатических давлений. Для дозировки

малых количеств растворов используют перистальтические насосы.

Работа таких устройств требует значительных энергозатрат, которая непроизводительно расходуется на перемещение механических узлов. Сами устройства характеризуются сложными кинематическими схемами, наличием запорной и регулирующей аппаратуры, их эксплуатация требует постоянного обслуживания и расхода смазочных материалов.

Известны также устройства транспортировки жидкостей, основанные на принципе трубы ВенТури (эрлифты), где перемещение жидкости вызывается ее

VJ 00 Ю VI VI О

аэрацией и соответственно созданием разности гидростатических давлений. .

Недостаткрм таких устройств являются высокие энергозатраты на создание мощного воздушного потока.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ транспортировки и дозировки жидких сред и устройства для его реализации - магнитогидродинамические насосы, в которых перемещение массы жидкости осуществляется наложением на неё комбинации электрического и магнитного полей.

Основной недостаток известного решения - высокие требования, предъявляемые к электропроводности транспортируемой жидкости. Это определяет достаточную эффективность известного решения для транспортировки таких жидкостей, как расплавы металлов и в то же время неоправданные энергозатраты при транспортировке как водных, в особенности слабоконцентрированных, растворов. Кроме того, недостатком прототипа является невозможность отказа от использования запорно-регулиру- ющей аппаратуры.

Цель изобретения - повышение эффективности управления потоком воды и водных растворов электрическим полем, в частности за счет отказа от использования запорно-регулирующей аппаратуры.

Поставленная цель достигается, во-первых, способом транспортировки и дозировки жидких сред, а во-вторых, устройством для реализации способа.

Оба объекта объединены в комплексном решении общей единой изобретательской идеей,.---

Предлагаемый способ характеризуется следующей совокупностью существенных признаков:

1. В канал для перемещения жидкости помещают транспортирующую среду - пол- имерный сильнонабухающий гидрогель, способный коллапсировать(процесс, обратный набуханию) под воздействием электрического поля.

2. В локализованном объеме канала (рабочей головке) на транспортирующую среду накладывают импульсно-периодиче- скую разность потенциалов, вызывающую периодический коллапс гидрогеля.

Процесс коллапса гидрогеля иллюстрирует фиг. 1, на которой представлена зависимость степени коллапса (т.е. отношение объемов до и после наложения электрического поля) от времени при различных значениях напряженности постоянного поля.

Изобретением является также устройство для реализации предлагаемого способа, которое характеризуется совокупностью следующих существенных признаков:

1. Канал для перемещения жидкости 1.

2. Канал заполнен транспортирующей средой - полимерным сильнонабухающим гидрогелем 2.

3. На выходе канала размещен локализованный объем (рабочая головка) 3, также заполненная в рабочем состоянии гидроге- 0 лем.

. 4. Внутри рабочей головки размещены электроды 4.

5. Электроды 4 подсоединены к блоку формирования низкочастотного импульсно- 5 периодического напряжения 5,

6. На входе канала 1 и выходе рабочей головки 6 помещены крупноячеистые мембраны.

Общая схема предлагаемого устройства

0 представлена на фиг.2, где обозначения соответствуют вышеизложенному.

Изучение уровня науки и техники показало, что известны сшитые полимеры и сополимеры, образующие в воде гели с

5 равновесной степенью набухания, способной достигать 103. Примером таких гидрогелей является продукт радикальной сополимеризации акриламида, акриловой кислоты и полифункционального реагента,

0 являющегося аллиловым эфиром водорастворимого производного целлюлозы из ряда: (-C6H702(OH)3-x-Y-(R)x-(OCH2CH CH2)Y-)p где P-OCH2COONa,

-ОСН2СН20Н, 5 -ОСНСН2ОН, СНз

-ОСНз

,60 - 2,0; Y 0,55 - 0,45; Р 0,05 - 10,0% от суммарной массы акриламида и акрило0 вой кислоты, а СП целлюлозного остатка составляет 320-1100. Степень равновесного набухания таких гидрогелей составляет 500-10000.

В основе предлагаемого изобретения

5 лежит новое, впервые обнаруженное свойство набухших полимерных гидрогелей - способность к обратимому коллапсу в воде и водных растворах низкомолекулярных солей. Обратимость этого свойства и позволя0 ет организовать цикл, состоящий из стадии набухания и стадии коллапса.

Способ осуществляют при помощи устройства следующим образом. Канал для перемещения жидкости, выполненный в виде

5 подводящей трубки 1 погружают в резервуар с жидкостью. Гель 2, заполняющий рабочую головку 3 и канал 1 в виде подводящей трубки, доводят до набухшего состояния. На электроды 4 внутри рабочей головки 3 подают импульсное напряжение с блока питания 5. В момент действия импульса происходит коллапс геля и жидкость под воздействием силы тяжести вытекает из рабочей головки 3. Величину напряженности поля устанавливают из условия обеспечения требуемой водоотдачи. Скважность сигнала устанавливают такой, что за время между импульсами гель возвращается в исходное состояние, всасывая при этом воду из резервуара за счет набухания.

П р и м е р. В гибкую полимерную трубку, представляющую собой канал для подвода жидкости 1 длиной 50 см и внутренним диаметром 1,1 см помещали 50 мл сшитого полимерного геля с размером гранул 3-5 мм на основе сополимера акриламида (30 мол.%) с акриловой кислотой (70 мол.%) и сшивающего агента аллилового эфира кар- брксиметилцеллюлозы (R -OCH2COONa; ,- X 0,76; Y 0,35; Р 0,10 мае. % от суммарной массы сополимера акриловой кислоты с акриламидом), равновесная степень набухания 1000.

Таким образом, масса безводного сополимера 0,05 г. Перед заполнением геля на одном из концов трубки закрепляли крупноячеистую мембрану с величиной отверстий 0,3 мм.

Второй конец канала подвода жидкости 1, выполненной в виде трубки, присоединяли к штуцеру рабочей головки 3, выполненной из стеклянной трубки с внутренним диаметром 2,5 см и высотой 4,0 см (объем 20 мл). Внутри рабочей головки 3 расположены удаленные один от другого на 0,5 см электроды 4, соединенные попарно. Электроды 4 выполнены из неметаллических электропроводящих материалов, например углена- полненного полиэтилена. Размер каждого электрода 1,5:4:0,15 см.

Электроды 4 имеют выводы через стенку рабочей головки (3) и присоединены к

блоку формирования низкочастотного им- пульсно-периодического напряжения 5.

Перед присоединением трубки к рабочей головке последнюю заполняют тем же сшитым полимерным гидрогелем (20 мл) и выход рабочей головки также изолируют крупноячеистой мембраной.

На электроды подают импульсное напряжение с амплитудой 300 в/см, выраба- тываемое генератором прямоугольного напряжения блока. Интервалы между импульсами - 600 с при скважности 1:6. При этом степень коллапса составляет 4,3, а во-2

доотдача устройства - 3 10 мл/с.

Насосы такого рода могут быть использованы в химико-аналитических приборах (например, титраторах) для дозированной подачи влаги к корневой системе растений,

тонкослойной хроматографии для смачивания хроматографических бумаг и пленок, автоматических устройствах для поливки комнатных растений, плачущих детских игрушках и подобных устройствах, которые

не требуют высокой скорости подачи воды. Экономический эффект достигается за счет экономии энергии, поскольку последняя расходуется только на коллапсирование полимерного материала и не расходуется,

например, на трение в кинематических деталях, как это имеет место для обычного насоса. Помимо этого, экономический эффект достигается за счет дозированной подачи воды через регулирование амплитуды,

длительности и частоты прилагаемых к кол- лапсирующему материалу импульсов, а также вести измерение количества поданной жидкости чисто электрическими методами, например через подсчет числа импульсов,

что важно для химико-аналитического приборостроения (автоматические титраторы)и фармацевтической технологии.

Использование: в насосостроении, в частности в электрогидравлических насосах и может быть применено в системах транспортировки жидкостей, использующих сжатие или разрежение среды, взаимодействующей с жидкостью. Сущность изобретения: устройство содержит канал для подвода жидкости, в котором размещен полимерный сильно набухающий гидрогель 2. Выход канала 1 выполнен в виде локализованного объема 3 - рабочей головки, также заполненного гидрогелем 2. В объеме 3 установлены соединенные попарно электроды 4, подключенные к блоку 5 формирования низкочастотной импульсно- периодической разности потенциалов. При опускании входа канала в жидкую среду гидрогель начинает набухать. При достижении заданной степени набухания гранул гидрогеля на электроды 4 подают импульсное напряжение с блока 5 питания, чем вызывают коллапс гидрогеля и водоотдачу гранул. Вода под действием силы тяжести вытекает из объема 3-рабочей головки. Для локализации гранул гидрогеля в канале 1 на входе и выходе установлены крупноячеистые мембраны 6. 2 с.п.ф-лы, 2 ил. №

Формула изобретения

блоку формирования низкочастотной им- пу льсно-периодической разности потенциалов, а на входе и выходе канала установлены крупноячеистые мембраны.