Диссертация (Разработка метода расчета рабочих процессов и создание пневмовакуумной установки сепарации ДНК), страница 13

На данном рисунке представлена блочная 3D-сборка основных ивспомогательныхэлементовблокавакуумнойсепарации.Основнымиэлементами блока являются: 96-луночный планшет очистки фирмы “Orochem”1, плоское уплотнение 2, верхняя часть блока 4, кольцевое уплотнение 6,нижняя часть блока 7 и подсоединительные штуцеры 8. Вспомогательнымиэлементами являются планшеты-сборники с ячейками различного объема 3 и 5.Вспомогательные элементы не используются в эксперименте, а необходимылишь для проведения финальной стадии выделения ДНК.

Элементы 4 и 7 блокасепарации были изготовлены с применением аддитивных технологий спомощью 3D-печати [107].82а)б)Рисунок 3.8. а – блочная 3D-cборка блока вакуумной сепарации,б – фотография прототипа блока вакуумной сепарацииПроведение экспериментального исследования связано с изменениемдавления внутри блока вакуумной сепарации, т.к. необходимо создаватьперепад давления на ячейках планшета очистки. Реализация метода вакуумнойсепарации возможна лишь благодаря созданию вакуума в полости блокавакуумной сепарации.

Для этой цели был спроектирован и изготовленмембранный вакуумный насос. На Рисунке 3.9. изображена 3D-модельвакуумного насоса и изготовленный мембранный вакуумный насос.а)б)Рисунок 3.9. а – 3D-модель вакуумного насоса, б – мембранный насос сразличными модификациями клапанных крышек83Показаны основные узлы и элементы мембранного вакуумного насоса:клапанные крышки 1, подшипниковая крышка 2, мембрана 3, корпус 4,электродвигатель 5, маховик 6.

На фотографии изготовленного насосапредставлены 3 различных модификации клапанных крышек: 7 – крышка свстроенными клапанами и штуцерами, 8 – крышка с покупными клапанами, 9 –крышкасотдельнымиклапаннымиузламииштуцерами.Наиболееэффективной в работе является модификация 8. Данная клапанная крышкабыла установлена на все рабочие ступени мембранного вакуумного насоса, какпоказано на 3D-модели (Рисунок 3.9,а).Экспериментальное исследование необходимо проводить с применениемширокого диапазона давлений внутри блока сепарации с возможностьюрегулировки значений давления.

Поэтому в экспериментальный стенд быливведены регулирующий дроссель и колба-сборник. Дроссель позволяетрегулировать поток газа, откачиваемый насосом. Колба-сборник предоставляетвозможность плавного изменения давления, а также служит для сборажидкости из исследуемых ячеек, что позволяет защитить мембранный насос отпопадания в него жидкости. В целях предотвращения обратного потока газа вблок сепарации через выключенный насос в стенд вводится обратный клапан.Экспериментальное исследование гидравлического сопротивления ячеекпланшета очистки требует измерения расхода рабочей среды. Для этого вэкспериментальный стенд введено устройство измерения расхода (УИР),которое представляет собой полый цилиндр с градуированной шкалойизмерения объема жидкости.

В качестве устройств измерения расходаиспользовались цилиндры шприцов одноразовых по ГОСТ 24861-91 объемом 2мл и 5 мл. УИР герметично соединяется с исследуемой ячейкой планшетаочистки, располагаясь над ней. Индикация давления в полости блока вакуумнойсепарации осуществляется вакуумметром AV-01.843.3.2. Методика проведения экспериментаЭкспериментальноеисследованиепроводилосьсиспользованиемтипового планшета очистки фирмы "Orochem" и величиной засыпки порошкасилики, т.е. высотой пористого тела H=4 мм.

Методика экспериментазаключалась в следующем:1.После приведения экспериментального стенда в рабочее состояние всеячейки планшета очистки кроме исследуемой (исследуемых) герметичнозакрывались с помощью специального герметизатора.2.В исследуемые ячейки помещалось устройство измерения расхода (илинесколько УИР при исследовании нескольких ячеек).3.Полость блока сепарации откачивалась, и внутри нее достигалсяопределенный уровень давления pвак.4.В устройство измерения расхода помещалась рабочая среда до верхнегоделения шкалы измерения УИР.

В качестве рабочей среды использоваласьфильтрованная вода. Материал первичной пробы имеет различную природу,структуру и, соответственно,характерные примеси. Поэтому вязкостьисходного раствора не одинакова для широкого диапазона типов используемыхпроб. Так как исследуемая смесь чаще всего представляет собой разбавленный(0,1…1)% водный раствор, содержащий белок, ДНК, неорганические соли, тоэксперимент можно проводить, заменив исходный раствор водой [52].5.С помощью регулировки дросселя внутри блока вакуумной сепарацииподдерживалось требуемое давление.6.Рабочая среда под действием перепада давлений проходила через УИР иячейку.

С помощью цифрового секундомера измерялось время прохождениямениска жидкости через соседние основные деления шкалы УИР.Таким образом, определены значения времени, за которое черезисследуемую ячейку протекает известный объем рабочей среды, при различныхперепадах давления между внешней средой и полостью блока вакуумнойсепарации.85В работе [117] проведено экспериментальное определение взаимовлияниятечения рабочей среды в ячейках планшета очистки. Оно показало, чтовзаимовлияние при одновременном течении рабочей среды в ячейках 96луночного планшета очистки установки вакуумной сепарации отсутствует.Ячейки рационально исследовать отдельно друг от друга без потери точности.Первичнойзадачейэкспериментальныхисследованийявляетсяопределение изменения гидравлического сопротивления ячеек и расходарабочей среды через исследуемую ячейку от времени. Ранее отмечалось, чтогидравлическое сопротивление ячеек не постоянно при работе установокпробоподготовки.

Поэтому определены условия, при которых могут бытьполучены искомые начальные значения коэффициентов проницаемости ячеек.Важнейшим параметром является время, в течение которого можно пренебречьизменением коэффициента проницаемости ввиду малости изменения расходарабочей среды через ячейку от времени при постоянном перепаде давления.3.3.3. Исследование характеристик течения рабочей среды.В УВС рабочие процессы включают в себя не только течение рабочейсреды внутри ячеек, но и осаждение рабочей среды и ее компонентов напористых телах.

Различные факторы, влияющие на процесс течения рабочейсреды, приводят к динамическому изменению гидравлического сопротивленияпористого тела в ячейке. Влияние этих факторов на расходные характеристикирабочих ячеек УВС оценивается с помощью соответствующей серииэкспериментов по исследованию отдельных ячеек планшета очистки.Эксперименты проводятся с помощью методики, описанной выше [раздел3.3.2].

Внутри блока вакуумной сепарации достигаются определенные значениядавления pвак и в течение некоторого времени поддерживаются постоянными.Через исследуемые ячейки перемещается жидкость (вода), а с помощью УИРотмечаются значения расходов жидкости в определенный момент времени.Таким образом, оценивается изменение расхода в ячейках по времени.86Исследуемые ячейки выбраны случайным образом. На Рисунке 3.10.аможно видеть положение исследуемых ячеек на планшете очистки. На Рисунке3.10.б изображен разрез исследуемой ячейки по ее оси.а)Рисунок 3.10.б)Схема положения исследуемых ячеек на планшете очистки(а) и разрез исследуемой ячейки (б):1 – устройство измерения расхода (УИР), 2 – рабочая среда, 3 – пористое телоВ блоке вакуумной сепарации с помощью вакуумного насоса достигалосьдавление pвак (например для ячейки А6 это давления 46,7; 56; 66,7; 73,3; 80; 86,7кПа).

После достижения необходимого давления в исследуемую ячейку и УИРвносилась жидкость (вода) до верхнего деления шкалы УИР и включалсясекундомер. Особенностью методики эксперимента является то, что в первуюочередь в блоке вакуумной сепарации достигались и поддерживались низкиедавления, чтобы обеспечивать больший перепад давлений на ячейках.

ВТаблице 3.3. представлена часть полученных данных для ячейки А6.В эксперименте использовались два разных УИР, которые отличалисьобъемом внутренней полости. Соответственно при высоких перепадахдавлений применялось УИР рабочим объемом 5 мл, при низких – объемом 2 мл.Это необходимо для уменьшения погрешности измерения времени, т.к. прибольших перепадах давления имеются высокие скорости движения жидкости –87следовательно, несвоевременное нажатие секундомера при использовании УИРмалого объема для высоких перепадов давления.

Использование УИР объема 5мл для малых расходов нерационально из-за значительного увеличениявремени эксперимента.При прохождении мениска жидкости делений УИР с помощьюсекундомера фиксировались соответствующие промежутки времени. Для УИРобъемом 5 мл: прохождение мениска жидкости между делениями шкалы 5 мл и4 мл – фиксировался промежуток времени t1, делениями 4 и 3 мл – t2,делениями 3 и 2 мл – t3, делениями 2 и 1 мл – t4, делениями 1 и 0 мл – t5.

ДляУИР объемом 2 мл: прохождение мениска жидкости между делениями шкалы 2мл и 1,5 мл – фиксировался промежуток времени t1, делениями 1,5 и 1 мл – t2,делениями 1 и 0,5 мл – t3, делениями 0,5 и 0 мл – t4. Когда мениск жидкостидостигал нижней отметки шкалы УИР, жидкость доливалась снова до верхнейотметки шкалы. Таким образом, измерения повторялись несколько раз.Таблица 3.3ЯчейкаА6pвак, кПа46,756…73,380…86,7t, ct16,05,76,36,35,96,36,36,36,66,26,07,3…14,29,8…17,3t26,46,06,46,36,46,36,66,76,86,56,67,8…13,610,3…18,3t35,96,36,36,36,36,36,76,86,56,96,37,2…13,79,7…19,0Q, мл/сt46,26,26,46,46,36,86,76,86,96,76,77…14,112,4…17,7pатм,кПаt5Q1Q2Q3Q4Q56,2 0,167 0,156 0,169 0,161 0,1616,1 0,175 0,167 0,159 0,161 0,1646,3 0,159 0,156 0,159 0,156 0,1596,2 0,159 0,159 0,159 0,156 0,1616,4 0,169 0,156 0,159 0,159 0,1566,4 0,159 0,159 0,159 0,147 0,1566,3 0,159 0,152 0,149 0,149 0,1596,7 0,159 0,149 0,147 0,147 0,1496,9 0,152 0,147 0,154 0,145 0,145 101,27,0 0,161 0,154 0,145 0,149 0,1436,6 0,167 0,152 0,159 0,149 0,1527,9 0,137 0,128 0,139 0,143 0,127………………15,4 0,070 0,074 0,073 0,071 0,0650,051 0,049 0,052 0,040………………0,029 0,027 0,026 0,028-88Полученныеэкспериментальныеданныепокаждойячейкеобрабатывались и рассчитывались расходы жидкости при течении междуделениями шкалы УИР по формуле Qij V, где i – индекс, связанный с тем, гдеtijнаходится мениск жидкости в момент определения расхода, V – объемжидкости между делениями УИР, соответственно для УИР объемом 5 млV=1мл и i=1…5, для УИР объемом 2 мл V=0,5 мл и i=1…4, j – номерэксперимента для данного перепада давления (номер строки в Таблице 3.3).В данной методике проведения эксперимента не учитывается время,которое проходит с момента преодоления жидкости нижнего деления шкалыУИР до достижения мениска жидкости верхнего деления шкалы после доливкижидкости.