CS252311B1 - Zařízení k čerpání a vytváření průtoku kapalin - Google Patents

Abstract

Podstatou řeěení je nádoba se zahřívanou kapalinou spojenou přes přepínači prvek s odvodním potrubím a se zásobníkem, přičemž nádoba se zahřívanou kapalinou je opatřena tepelným čidlem elektricky spojeným s řídicím obvodem dále spojeným s tepelným nařízením, například topným prvkem umístěným v nádobě s ohřívanou kapalinou nebo na povrchu nádoby, případně s druhou nádobou s cirkulačním topným obvodem, ve která je nádoba se zahřívanou kapalinou vložena.

Description

Vynález se týká zařízení k čerpání kapalin, roztoků, emulzí a suspenzí a vytváření časově proměnného i časově neproměnného průtoku těchto médií, který Siní řádově zlomky mililitrů za sekundu.

Ve vědě i v praxi existuje potřeba dlouhodobého Serpání malých objemů kapalin, řádu mililitrů nebo zlomku mililitru, proti vnějšímu tlaku, který je řádu až stovek megapascalů. Při objemových výkonech čerpadel řádu setin mililitrů za sekundu a nižěích se souSasně požaduje, aby tyto průtoky byly dodržovány s relativní přesností lepěí než 1 až 5 %. Krátkodobá kolísání průtoku nebo tlaku čerpaného média, které je typické pro čerpadla s vratným pohybem, je někdy nežádoucí. Často je třeba čerpat kapaliny různého chemického složení, například organická rozpouštědla a jejich směsi, roztoky organických rozpouštědel ve vodě nebo roztoky kyselin, zásad a solí ve vodě. Aby bylo možno vyhovět těmto požadavkům, jeou používána speciální vysokotlaká mikročerpadla, které jsou z hlediska konstrukčního řešení miniaturizovanými obdobami běžných mechanických vysokotlakých čerpadel.

Tato čerpadla mají základní nedostatky běžných mechanických čerpadel plynoucí z jejich konstrukční složitosti a z nutnosti používat velký počet pohyblivých součástí. Některá z pohyblivých součástí přicházejí do styku s čerpanými kapalinami a musí proto být těsněny tak, aby čerpaná kapalina neunikala. Podle předpokládaného způsobu použití čerpadla proto musí být na některá součástky používány drahá nebo obtížně dostupné nebo těžce obrobitelné materiály se speciálními mechanickými vlastnostmi nebo se specifickou chemickou odolností. Před vstupem do čerpadla musí být čerpané kyseliny zpravidla pečlivě filtrovány, aby byly zbaveny i mikroskopických pevných částic. Pevné částice totiž mechanicky poškozují některá součástky čerpadel, např. písty, plunžry a jejich těsnění. Často také znemožňují bezchybnou činnost uzavíracích prvků, jako například ventilů, které zajišťují žádoucí směr pohybu kapaliny čerpadlem. K těmto obecným nedostatků mechanických čerpadel přistupují dalěí konstrukční a výrobní nároky plynoucí z miniaturizace čerpaného množství. Přitom minimální objemový výkon těchto čerpadel je zpravidla řádu desetin mikrolitru za sekundu.

Tyto dosavadní nevýhody odstraňuje zařízení k čerpání kapalin, roztoků, emulzí a suspenzí podle vynálezu, jehož podstatou je nádobka se zahřívanou kapalinou, spojená přes přepínací prvek s odvodním potrubím a se zásobníkem, přičemž nádobka se zahřívanou kapalinou je opatřena tepelným čidlem, elektricky spojeným s řídicím obvodem dále spojeným β tepelným zařízením, tvořeným například topným prvkem umístěným v nádobce se zahřívanou kapalinou nebo na povrchu nádobky, případně druhou nádobou s cirkulačním tepelným obvodem, ve která je nádoba se zahřívanou kapalinou vložena.

Zařízení k čerpání kapalin podle vynálezu je výrobně jednoduché, a proto i levné, a může být provedeno tak, že neobsahuje žádné součástky, které se při čerpání kapaliny pohybují. K čerpání kapalin neni využito mechanické energie, jako u běžných čerpadel, ale energie tepelné. Technické problémy regulace rychlosti mechanického pohybu a přenosu mechanické energie se proto eliminují. Přenášejí se na problematiku měřeni, regulace přenosu tepla resp. měření teploty, které lze s nynější měřici a regulační technikou řešit velmi přesně, jednoduše a levně. Při vhodném technickém provedení celého zařízení lze snadno realizovat objemové průtoky řádu desetin mikrolitru za sekundu a menší. Protože zařízení podle vynálezu nemusí obsahovat pohyblivé mechanické součástky přicházející do styku s čerpanou kapalinou, není nutno čerpanou kapalinu filtrovat. Způsobem podle vynálezu lze proto čerpat i stabilní suspenze nebo kapaliny obsahující pevnou fázi. Průtok čerpané kapaliny je bezpulsní.

Vynález blíže objasní.přiložený výkres, kde jsou na obr. 1, 2 a 3 schematicky uvedeny příklady praktického provedení.

Zařízení na obr, 1 tvoří nádoba J. se zahřívanou kapalinou 2 spojená přes přepínací prvek 2 s odvodním potrubím 4 a zásobníkem 2· Nádoba J. je vložena do druhé nádoby 10 s teplosměnným médiem 13. Druhá nádoba 10 je spojena s cirkulačním obvodem 2 prostřednictvím vstupního a výstupního potrubí 11 a 12. Teploměrné čidlo 6 a cirkulační obvod 2 jsou elektricky spojeny s řídicí jednotkou 2, Jiný příklad je uveden na obr, 2, kde je nádoba 1 se zahřívanou kapalinou 2 opatřena topným prvkem § a chladicím prvkem 15. které jsou elektricky spojeny s řídicí jednotkou 2· Na dalěím přikladu na obr. 3 je nádoba 1 se zahřívanou kapalinou 2 spojena přes oddělovací prvek 14 se třetí nádobou 16 3 čerpanou kapalinou 12«

Fyzikální podstata vynálezu je zdůvodněna následovně;

Průtok F zahřívané kapaliny 2 závisí na koeficientu β zahřívané kapaliny 2, na vzrůstu teploty T zahřívané kapaliny 2 za jednotku času, dT/dt, na objemu V nádoby 1 a na koeficientu teplotní roztažnosti p> nádoby χ. Koeficient fi je číselně roven trojnásobku koeficientu délkové roztažnosti materiálu of , z něhož je nádoba i vyrobena. Přísluěná rovnice má tvar

F = V $

Je-li přívod tepla do nádoby i se zahřívanou kapalinou 2 řízen tak, že teplota T zahřívané kapaliny 2 roste přímo úměrně s dobou zahřívání t, je dT/dt konstantní a objem zahřívané kapaliny 2 vytékající za jednotku času z nádoby 1 se nemění. Zařízení pracuje jako čerpadlo s konstantním objemovým výkonem. Hoste-li teplota T zahřívané kapaliny 2 s časem jinak než line.árně, je veličina dT/dt časově závislá a analogicky, podle výěe uvedeného vztahu se s časem mění i průtok zahřívané kapaliny 2. Zařízení pak pracuje jako časově programované čerpadlo. Z fyzikálního principu vynálezu plyne, že způsob přívodu tepla do zahřívané kapaliny 2 nerozhoduje o principiální funkceschopnosti zařízení. Lze proto v zásadě použit libovolného způsobu ohřevu zahřívané kapaliny 2 v nádobě 1 nebo různé způsoby ohřevu navzájem kombinovat.

Je-li tlak, který působí na zahřívánou kapalinu 2 tak malý, že lze zanedbat objemovou stlačitelnost zahřívané kapaliny 2, pak celkový objem V_c zahřívané kapaliny. 2, který může být dodán čerpadlem v jednom pracovním cyklu, je určen rovnicí

V_c = V (.fr-fi) (T₂ - T,)

Tj je počáteční teplota zahřívané kapaliny 2 v okamžiku zahájení fáze výtlaku a T₂ je nejvyšší dosažená teplota zahřívané kapaliny 2. Nejnižší možná počáteční teplota T, je totožná s teplotou tuhnutí zahřívané kapaliny 2. Nejvyšší možná konečná teplota Tg je totožná s bodem varu zahřívané kapaliny 2 při tlaku, který se ustaví v zahřívané kapalině 2 během výtlaku. Je-li vnější tlak P tak vysoký, že nelze stlačitelnost zahřívané kapaliny 2 zanedbat, pak je celkový objem V_c zahřívané kapaliny 2, který může být dodán v jednom pracovním cyklu, určen rovnicí

V_c = V (fi- fi' ) (Tg - Τ,) - I fa V(P) dP Ό

Zařízení pro čerpání zahřívané kapaliny na obr. 1 pracuje za. provozu takto:

Teplosměnné médium 13 ve druhé nádobě 10 obklopuje nádobu 1 se zahřívanou kapalinou 2. Zahřívaná kapalina 2 vystupuje přes přepínací prvek 2 odvodním potrubím £. Přepínací prvek J je rovněž připojen k zásobníku 2 čerpané kapaliny 2. Teplota zahřívané kapaliny 2 je měřena teploměrným čidlem 6, Údaj teploměrného čidla 6 je veden do řídicí jednotky 2, která ovládá cirkulační obvod 2, zajištující ohřev, chlazení a cirkulaci teplosměnného média 22· Teplosměnné médium 13 je do druhé nádoby 10 přiváděno vstupním potrubím 11 a ddvéděno výstupním potrubím 12.

Pro naplnění nádoby 1 zahřívanou kapalinou 2 o teplotě T, ze zásobníku 2 se přepínacím prvkem 2 spojí nádoba 1 s odvodním potrubím Fáze výtlaku se zahájí tím, že prostřednictvím řídicí jednotky 1 se uvede do činnosti cirkulační obvod % tak, aby působením teplosmšnného média 13 začala teplota zahřívané kapaliny 2 žádaným způsobem zvyšovat.

Tím se zahřívaná kapalina 2 začne roztahovat a přes přepínací prvek 2 vystupuje odvodním potrubím £. Po načerpání potřebného objemu zahřívané kapaliny 2 nebo po skončení výtlačného cyklu, kdy teplota zahřívané kapaliny dosáhla maximální možné teploty T21 ^se přepínacím prvkem 2 spojí zásobník % s nádobou j.. Působením cirkulačního obvodu 2 s® začne snižovat teplota teplosmšnného média 13 a tím teplota zahřívané kapaliny 2 v nádobě 1. Chladnoucí kapalina £ začne zmenšovat svůj objem a do volného prostoru v nádobě 1 je ze zásobníku í přes přepínací prvek 2 nasávána zahřívaná kapalina 2. Fáze sání skončí tím, že teplota zahřívané kapaliny 2 v nádobě 1 poklesne na počáteční teplotu T, a zahřívaná kapalina í zcela vyplní nádobu J.· Pak se pomocí přepínacího prvku 2 odpojí zásobník í a nádoba i se spojí s odvodním potrubím 4· Mm proběhl celý pracovní cyklus a čerpadlo je opět připraveno k zahájení fáze výtlaku.

Zařízeni pro čerpání kapaliny s využitím topného elementu jako zdroje tepla znázorňuje obr. 2. Funkce šerpadla i jeho pracovní cyklus jsou stejné jako v příkladě podle obr. I s tím rozdílem, že přívod tepla do nádoby 1 zajišluje topný prvek 8 a jeho odvod ve fázi sáni chladicí prvek 15.

Zařízení, v němž zahřívaná kapalina vyvolává tok čerpané kapaliny znázorňuje obr. 3. Svým technickým řešením může být zahřívací systém identický se zařízením v příkladu na obr. 1 nebo v příkladu na obr. 2, přičemž jejich výstupní potrubí je připojeno k oddělovacímu prvku 14 a jeho prostřednictvím ke třetí nádobě 16 vyplněné čerpanou kapalinou 17. Přepínacím prvkem 2 se třetí nádoba 16 spojuje s odvodním potrubím £ nebo se zásobníkem 2 čerpané kapaliny 1 7. Oddělovací prvek 14 zabraňuje vzájemnému míšení zahřívané kapaliny i s čerpanou kapalinou. 17 nebo jejich vzájemné míšení alespoň minimalizuje. Oddělovací prvek 14 může být realizován např. vrstvou kapaliny, která se nerozpouští v zahřívaná kapalinš 2 ani v čerpané kapalině 12, pohyblivou přepážkou nebo pístem. Jsou-liv jedná fázi výtlaku čerpány malé objemy, řádově mililitry a méně, lze 3 výhodou třetí nádobu 16 realizovat kapilárou světlosti 0,2 až 2 mm. V tomto případě může funkci oddělovacího prvku 14 převzít styková plocha mezi oběma kapalinami.

Ve fázi výtlaku je třetí nádoba 16 spojena přepínacím prvkem 3 s odvodním potrubím i odvádějícím čerpanou kapalinu 17. Zahřívaná kapalina 2 vstupuje z nádoby 1 potrubím přes oddělovací prvek 14 do třetí nádoby 16. z niž vypuzuje čerpanou kapalinu 12· Čerpaná kapalina 17 pak přes přepínací prvek 2 vytéká odvodním potrubím 4. Po skončení výtlaku se třetí nádoba 16 spojí přepínacím prvkem 2 se zásobníkem kapaliny 2· Ve fázi sání, vyvolané ochlazováním zahřívané kapaliny 2, se zahřívaná kapalina 2 vrací z třetí nádoby 16 zpět do nádoby 1 a třetí nádoba £6 se plní čerpanou kapalinou 17 přitékající ze zásobníku 2· zaplnění třetí nádoba 16 čerpanou kapalinou 17 se spojí třetí nádoba 1 6 pomocí přepínacího prvku 2 s odvodním potrubím £ a fáze výtlaku se opakuje.

!·

Zařízení, která může dodávat nepřetržitě jednu kapalinu, suspenzi nebo emulzi, se získá tak, že dvě čerpadla, např. podle příkladu 3, se spojí tak, aby měla společné odvodní potrubí A a střídají se ve fázi výtlaku tak, aby mezi jejich fázemi výtlaku nebyla časová prodleva. Pracují-li obě čerpadla synchronně, tj. majl-li současně fázi výtlaku, a každé z nich je naplněno jinou kapalinou, může výsledná sestava pracovat jako gradientové čerpadlo s gradientem složení čerpaného média, případně jako čerpadlo s gradientem složení i průtoku čerpaného média.

Bude-li zařízení podle obrázku 2 vybaveno železnou nádobou 1 o objemu 1 000 ml naplněnou acetonem, pak při vzrůstu teploty o 1 °C za 60 sekund je objemový průtok acetonu na výstupu z čerpadla 24yul/sec. Při zvýšení teploty acetonu v nádobě z 25 °C na 55 °C dodá čerpadlo za půl hodiny 43,5 ml acetonu.

Jiným příkladem může být zařízení podle obr. 3, v němž je nádoba χ o obsahu 10 ml vyplněna destilovanou vodou. Třetí nádobu 16 lze v tomto případě s výhodou realizovat nerezavou kapilárou světlosti 1 mm, dlouhou 100 mm. čerpanou kapalinou je stabilizovaná vodná suspenze latexu. Oddělovací prvek 17 je realizován vrstvou heptanu umístěnou v kapiláře mezi vodu a čerpanou latexovou suspenzi. Při zahřívání destilované vody vedeném tak, aby se její teplota zvyšovala o 1 °C za 180 sec. je na výstupu odvodního potrubí 4 průtok latexové suspenze 9.4.1 0^/ul/sec. Při zahřátí destilované vody o 40 °C dodá čerpadlo 68 jul latexové suspenze.

Zařízení k čerpání kapalin, roztoků, emulzí i suspenzí podle vynálezu lze použít všude, kde je třeba dodávat kontinuálně nebo diskontinuálně malá množství kapalin, roztoků, emulzí nebo suspenzí při konstantním nebo časově proměnném průtoku, při čemž tyto průtoky jsou řádu desítek mikrolitrů za sekundu a méně. čerpaná média mohou být dodávána i do prostorů nebo zařízení, v nichž existuje tlak řádu 1 (P MPa. Způsob čerpání podle vynálezu může být použit např. při dávkování roztoků homogenních katalyzátorů nebo stabilizovaných suspenzí heterogenních katalyzátorů do chemických reaktorů, při dávkování minoritních komponent při výrobě léčiv a lékových přípravků, při dávkování chemických činidel do kontinuálních analyzátorů a jiných zařízení, při dávkováni barev nebo barvotvorných komponent i při generaci průtoku kapalných mobilních fází v kapalinové chromatografií, zejména při práci s kolonami velmi malých průměrů.

Claims (4)

1. Zařízení k čerpání a vytváření průtoku kapalin vyznačené tím, že je tvořeno nádobou (1) se zahřívanou kapalinou (2) spojenou přes přepínací prvek (3) s odvodním potrubím (4) a se zásobníkem (5), přičemž nádoba (1) se zahřívanou kapalinou (2) je opatřena tepelným čidlem (6) elektricky spojeným s řídicím obvodem (7) dále spojeným s tepelným zařízením, kterým je topný prvek (8) umístěný v nádobě (1) s ohřívanou kapalinou (2), nebo na povrchu nádoby (1), případně druhá nádoba (10) s cirkulačním topným obvodem (9), ve které je nádoba (1) se zahřívanou kapalinou (2) vložena.

2. Zařízení podle bodu 1 vyznačené tím, že nádoba (1) se zahřívanou kapalinou (2) je opatřena chladicím prvkem (15).

3. Zařízení podle bodu 1 vyznačené tim, že mezi nádobou (1) a přepínacím prvkem (3) je vložena třetí nádoba (16) s čerpanou kapalinou (17) a oddělovacím prvkem (14).

4. Zařízení podle bodu 1 nebo 2 nebo 3 vyznačená tím, že přepínací prvek (3) spojující nádobu (!) s odvodním potrubím (4) nebo se zásobníkem (5) je tvořen dvěma přepínacími prvky tak, že jeden z nich spojuje nádobu (1) s odvodním potrubím (4) a druhý spojuje nádobu (1) se zásobníkem (5).