| UA87009U | 2014-01-27 | |||
| JPS5936083B2 | 1984-09-01 | |||
| GB238293A | 1925-08-14 | |||
| CN201202601Y | 2009-03-04 |
| Формула изобретения: 1. «Осмотически неуравновешенный пароосмотический агрегат парового двигателя представляет собой устройство, основным элементом которого является сосуд, разделенный селективной мембраной на отсеки А и В таким образом, что в обоих отсеках в относительном температурной равновесии находятся растворы единой жидкости (например, воды) соответственно с веществомА (например, нитрат калия KNO3) и веществомв (например, серная кислота H2S04), при этом селективная мембрана должна быть прозрачной для указанной единой жидкости, но полностью непрозрачной для веществаА и веществав и также иметь высокую теплопроводность, при этом раствор единой жидкости с веществомв имеет более высокую температуру кипения, а раствор единой жидкости с веществомд имеет более низкую температуру кипения и то, что при этой температуре из него испаряется исключительно единая жидкость, при этом пар из отсека А должен осуществить определенную полезную работу в рабочем агрегате (например, прокрутить паровую турбину или согреть помещение) и после того попасть в отсек В, где он конденсируется в раствор (возможна конденсация уже в рабочем агрегате) и через селективную мембрану снова попадает в отсек А, причем растворы А и В должны быть осмотически неуравновешенными, то есть такими, осмотическое давление рабочей жидкости в которых во время работы устройства является постоянно направленным от раствора В в раствор А, то есть за счет испарения рабочей жидкости концентрация рабочей жидкости в растворе А должна быть постоянно ниже, чем концентрация рабочей жидкости в растворе В, следовательно, когда в обоих отсеках температура достигнет температуры кипения раствора единой жидкости с веществомд, то начнется циркуляция единой жидкости по схеме «отсек А— пар— рабочий агрегат— пар— отсек В— селективная мембрана— отсек А». 2. Агрегат по пункту 1, который характеризуется тем, что источником дальнейшего разогрева является добавление в отсек А или В самой единой ю жидкости, если эти растворы совокупно имеют высокую положительную температуру смешивания с данной единой жидкостью (например, за счет смешивания воды с серной кислотой H2S04). |
Описание изобретения
Название изобретения: Осмотически неуравновешенный пароосмотический агрегат парового двигателя
Область техники, к которой относится изобретение: Энергетика. Устройства, работающие по замкнутому циклу. РСТ (WO) код: F 01 К 25/04.
Уровень техники: Известно устройство— осмотический насос, где использован элемент с селективной мембраной, преобразующий энергию осмоса в механическую энергию потока жидкости (US Patent No0052279608 А 61 М 5/14 date of patent Jan. 18, 1994). Однако данное устройство рассчитано на малые потоки жидкости и разовый характер действия. Известна также осмотическая энергоустановка непрерывного действия с преобразователем энергии, который использует энергию осмоса (энергию смешивания разноминерализованных растворов через полупроницаемую мембрану)— патент Российской Федерации RU 2271463 С2 МПК F03B 17/00 (2006.01) F04B 17/00 (2006.01), заявка 2003118972.06, 26.06.2003. Однако она предназначена исключительно для перекачки высокоминерализованных вод при условии подачи через трубопровод пресной воды и в условиях действия насосов. Данное устройство и подобные ему не приспособлены к замкнутой циркуляции жидкости. Широко распространенными являются устройства с замкнутой циркуляцией вещества (воды, фреона и т.д.), где использовано испарения жидкости (т.е. данного вещества) в определенном нагревательном агрегате (например, паровом котле) с последующей полезной работой пара этого вещества, который тратит на это свою энергию и затем снова возвращается в нагревательное устройство. Однако для попадания вещества обратно в нагревательное устройство всегда обязательно используется насос, иначе не возникло бы циркуляции именно в заданном направлении.
Автором получен патент Украины на полезную модель UA 87009 (МПК (2013.01) F01K 25/04 (2006.01) F01K 27/00) "пароосмотический агрегат парового двигателя", предлагающий устройство, которое позволяет обеспечить такую циркуляцию без насоса, за счет использования энергии осмоса — энергии смешения разноминерализированных растворов через полупроницаемую (селективную) мембрану. То есть он представляет собой устройство, которое функционально объединяет паровой котел универсального назначения с преобразователем энергии, использующим энергию осмоса. Пароосмотический агрегат парового двигателя представляет собой устройство, основным элементом которого является сосуд, разделенный селективной мембраной на отсеки А и В таким образом, что в обоих отсеках находятся растворы единой жидкости (например, воды) соответственно с веществом А и веществом в (например, серная кислота H 2 S0 4 как веществод и хлорид лития LiCl как вещество в ). При этом селективная мембрана должна быть прозрачной для указанной единой жидкости, но полностью непрозрачной для вещества А и для вещества в , то есть эта единая жидкость будет находиться в обоих отсеках в осмотическом равновесии и относительном температурном равновесии. Селективная мембрана не должна существенно мешать теплообмену между отсеками А и В. При этом раствор единой жидкости с веществом А должен иметь два свойства: низкую температуру кипения и то, что при этой температуре из него будет испаряться исключительно единая жидкость. При этом раствор единой жидкости с веществомв должен иметь высокую температуру кипения. При этом пар из отсека А должен осуществить полезную работу в рабочем агрегате (например, прокрутить паровую турбину или согреть помещение) и после того попасть в отсек В, где он конденсируется в раствор и через селективную мембрану снова попадает в отсек А. Таким образом, если в обоих отсеках температура достигнет температуры кипения раствора единой жидкости с веществомд, то раствор единой жидкости с веществомв при этом останется в состоянии обычной жидкости без признаков кипения. Таким образом, раствор единой жидкости с веществомв будет в результате конденсации в нем пара чистой единой жидкости постоянно разбавляться единой жидкостью, а раствор вещества А с единой жидкостью, наоборот, в результате выпаривания единой жидкости будет становиться все более концентрированным. Возникнет осмотическое давление единой жидкости из отсека В в отсек А, и начнется соответствующая диффузия единой жидкости из отсека В в отсек А через селективную мембрану. Таким образом, начнется циркуляция единой жидкости по схеме «отсек А— пар— рабочий агрегат— пар— отсек В— селективная мембрана — отсек А». Таким образом будет достигнута экономия энергии, расходуемой на работу насоса.
Однако указанное устройство в изложенном виде принципиально не может быть построено. Дело в том, что когда два раствора одной жидкости, разделенные селективной мембраной (которая пропускает только эту жидкость), находятся в осмотическом равновесии, то давление пара этой жидкости над обоими растворами будет одинаковым. А это значит, что кипеть эти растворы будут одновременно и начнут кипеть при одинаковой температуре. Предложенное в данной патентной заявке устройство позволяет преодолеть этот принципиальный недостаток.
Сущность изобретения: два раствора из устройства, описанного в патенте UA 87009, должны быть осмотически неуравновешенными, то есть такими, осмотическое давление рабочей жидкости в которых во время работы устройства является постоянно направленным от раствора В в раствор А, то есть концентрация рабочей жидкости в растворе А должна быть постоянно значительно ниже, чем концентрация рабочей жидкости в растворе В, и за счет испарения рабочей жидкости из раствора А такая концентрация должна поддерживаться постоянно.
з Технический результат: Таким образом устройство, описанное в патенте UA 87009 становится технически возможным.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения:
1) Пар вещества будет конденсироваться в растворе этого вещества, если температура кипения раствора выше температуры этого пара чистого вещества. В частности, в статье проф. А. В. Шубникова (журнал "Наука и жизнь", Ns 9/1984, с. 76— 78) изложен простой эксперимент проф. Крапивина. Сущность эксперимента заключается в том, что если из сосуда, где кипит чистая вода, отводить трубкой пар в другой сосуд, например, с насыщенным водным раствором поваренной соли (NaCl), то пар (с температурой 100° С) будет конденсироваться в этом сосуде, пока раствор не достигнет своей собственной температуры кипения (110° С).
2) Реально существуют селективные мембраны, способны очищать воду (или другую жидкость), в частности, от солей, щелочей и кислот. При этом их часто обновляют (очищают) с помощью серной кислоты (например, осмотическая мембрана CSM-RE8040-BE. Смотри также сайт "Мембранные технологии очистки сточных вод": http://enviropark.ru/course/view.php?id=8). Мембраны, способные работать в среде серной кислоты, хорошо известны и широко используются. Например, в патенте US-A-3244620 описан метод диализа для отделения сильной кислоты от смеси с полимером с помощью анионной мембраны. Также широко известны мембраны с высокой теплопроводностью, пригодные для высокотемпературного применения: см., Например, патент RU 2446855 С2. Работа подобных мембран намного эффективнее, если они действуют в направлении действия осмотического давления, как это происходит в нашем случае. Итак, мембрана, которая отвечает требованиям, указанным в разделе "Уровень техники", технически возможна, причем подобные мембраны реально существуют. 3) Для подтверждения возможности осуществления изобретения достаточно привести лишь один пример практически возможного устройства, соответствующего условиям данной заявки. Для примера возьмем в качестве рабочей жидкости воду Н 2 0, в качестве вещества А калийную селитру— нитрат калия KN0 3 и в качестве вещества в — серную кислоту H 2 S0 4 .
4) Раствор воды с серной кислотой может иметь любую концентрацию, причем "При нагревании и кипении водных растворов серной кислоты, содержащих до 70% H2SO4, в паровую фазу выделяются только пары воды" (Малина И.К. Серная кислота // Большая советская энциклопедия, 3-е изд., т. 23, с. 304). Итак, серная кислота при концентрации менее 70% (например, 60%) может быть использована в качестве веществав, если температура кипения такого ее раствора В будет существенно выше температуры кипения раствора А.
5) В отличие от серной кислоты нитрат калия KN0 3 является ограниченно растворимым в воде: "Растворимость нитрата калия в воде (в граммах на 100 граммов воды): 31,6 (20° С); 245 (при 100° С). Насыщенный раствор кипит при 118° С, при этом в 100 граммах воды содержится 335 граммов селитры" (Нитрат калия // http://www.cniga.com.ua/index.files/nitratkalija.htm). При этом нитрат калия также нелетуч (Нитрат Калия // Материал из Википедии — свободной энциклопедии).
6) Молярная масса серной кислоты 98,08 г/моль (Серная кислота // Материал из Википедии— свободной энциклопедии), а калийной селитры— 101,1032 г/моль (Нитрат Калия // Материал из Википедии— свободной энциклопедии), то есть они очень близки. Итак, можно сравнивать водные растворы этих веществ непосредственно за массовой долей в них воды, то есть, например, по соотношению 100 граммов воды на определенное количество раствора.
7) Температура кипения 20%-ного (по массе) водного раствора калийной селитры при стандартном атмосферном давлении составляет 101,6°, 25%-ного раствора — 102,1°. При стандартном атмосферном давлении температура кипения 20%-ного раствора серной кислоты составляет 104°, 25%-ного раствора ~ 105,5° (24%— 105,25°, 26%— 105,91°) (Справочник сернокислотчика / 2-е изд., под ред. проф. К. М. Малина.— М.: Химия, 1971 — С. 105). Итак, очевидно, что в условиях одинакового атмосферного давления над обоими растворами раствор калийной селитры будет кипеть при температуре, при которой серная кислота будет оставаться в спокойном жидком состоянии. К тому же сам процесс кипения раствора калийной селитры будет стабилизировать общую температуру всего устройства на уровне, не позволяющем закипеть раствору серной кислоты. Следовательно, при таких условиях раствор А будет кипеть, а раствор В кипеть не будет, при одинаковой температуре обоих растворов и одинаковом атмосферном давлении над обоими растворами.
8) Однако не менее важный вопрос: будет ли при указанных в пункте 7 условиях рабочая жидкость (вода) поступать через селективную мембрану преимущественно именно в направлении из раствора В (серной кислоты) в раствор А (калийной селитры)? Здесь при практически равной мольной массе К1ЧОз в качестве вещества А и и серной кислоты H 2 S0 4 в качестве вещества в определяющее значение имеет соотношение их осмотических коэффициентов. Осмотический коэффициент— характеристика растворителя — коэффициент g, представляющий собой отношение осмотического давления в реальном растворе П к осмотическому давлению в идеальном растворе Ilid той же концентрации, что и реальный раствор, при той же температуре: g = Π/ffid. [Осмотическое коэффициент. Материал из Википедии— свободной энциклопедии]. То есть это характеристика именно воды как растворителя и рабочего вещества в нашем устройстве. При температуре 100°С и концентрации 20% по массе осмотический коэффициент раствора KNO 3 равен 1,9891, при концентрации 24%— 1,3269, 26% — 1,0835. При температуре 100°С и концентрации 20% по массе осмотический коэффициент раствора H 2 S0 равен 0,9333, при концентрации 24%— 1,0163, б 26% — 1,0428 (Aseyev G.G. Electrolytes Equiliibria in solutions and Phase Equilibria. Calculation of Multicomponent Systems and Experimental Data on the Activities of Water, Vapor Pressures, and Osmotic Coefficient— NY: Wallingford, UK: Bedell house, 1999.— Pp. 227-229). To есть осмотическое давление будет направлено в сторону раствора A (KNO 3 ), который кипит. Это значит, что изобретенное нами устройство технически возможно.
9) В пункте 2 формулы полезной модели UA 87009 изобретен "Агрегат по пункту 1, который характеризуется тем, что источником разогрева является добавление в отсек А или В самой единой жидкости, если эти растворы имеют высокую положительную температуру смешивания данной единой жидкости с веществом А и веществом В (например, смешивания воды с серной кислотой H 2 SO 4 )". Данный пункт в целом также сохраняет силу для приведенного выше примера. Но при этом "растворение кристаллического нитрата калия— процесс эндотермический, поскольку на разрушение его кристаллической решетки расходуется больше энергии, чем выделяется при гидратации ионов К и NO 3 .... и равняется 36,0 кДж / моль" (Нитрат ионы, гидратация // http://chem21.info/page/163200157205010108142066188229177133 19515602809 21). С другой стороны, теплота растворения серной кислоты в воде равна 74,2 кДж / моль (Растворение— серная кислота // Большая Энциклопедия Нефти Газа: http://www.ngpedia.ru/id378410pl.html). Итак, мы имеем положительную разницу в 38,2 кДж / моль. Поскольку оба вещества (H 2 SO 4 и KN0 3 ) имеют примерно одинаковую молярную массу (моль), и при условии замкнутого цикла с ними будет взаимодействовать одинаковое количество молекул воды, то это соотношение должно в целом сохраняться.
10) Безусловно, в обоих растворах играют большую роль процессы гидратации. Например, "В водных растворах серная кислота практически полностью распадается на Н 3 О+, Н5Оз+, и 2HSO4-. Образует гидраты H 2 SO 4 · пН 2 О, где n = 1, 2, 3, 4 и 6,5. "(Серная кислота // Материал из Википедии— свободной энциклопедии). Но осмотический обмен через мембрану никак невозможен для гидратов или молекулярных гидратных комплексов, а только исключительно для молекул собственно воды. Исходя из этого, к раствору А из раствора В через селективную мембрану должны проходить только "независимые" молекулы воды (или ионы НЗО+), не связанные в гидратные комплексы. Поскольку положительная теплота растворения серной кислоты в воде связана именно с процессами гидратации, а в данном случае (в отличие от выпаривания) дегидратации гидратных комплексов при переходе через мембрану из раствора В в раствор А непосредственно не происходит, трудно утверждать априори, что раствор серной кислоты в результате этого процесса осмоса остынет настолько же, насколько он нагрелся вследствие растворения в нем такого же количества молекул воды. Это легко понять, если бы был взят обратный пример: раствор с отрицательной теплотой смешивания. Нет никаких экспериментальных доказательств, что при концентрации определенного раствора А в результате осмоса в направлении более концентрированного раствора В данный раствор А нагревался бы ровно настолько, настолько он охлаждался в результате прямого разбавления.
Примечание: Способ нагрева данного устройства до состояния кипения единой жидкости в отсеке А не является предметом данной патентной заявки. Для данного устройства может быть использован любой известный в технике способ нагрева жидкости в паровом котле: химическая энергия горения, ядерная энергия (на атомных электростанциях), электрический ток и тому подобное.
Перечень фигур чертежа:
1. Путь циркуляции единой жидкости
2. Отсек А с раствором единой жидкости и вещества А
3. Отсек В с раствором единой жидкости и вещества в
4. Селективная мембрана
5. Стенки сосуда
6. Рабочий агрегат
7. Испарение
8. Конденсация