CN110040822A - 一种在海水淡化及提取海盐设备设施里限制湍流的方法 - Google Patents

Abstract

在淡化海水及提取海盐设备设施里有一个或多个与地球磁力线大约垂直的水槽，由于水流在水槽横截面的长度方向(垂直于地球磁力线和水流流动方向的方向)要分成几股，取中间的某一股出来，这个方向尺寸要是小了,要分成几股，设施做起来困难，而在水槽横截面的宽度方向(沿地球磁力线方向)不用分开什么的，所以水槽横截面宽度方向的尺寸可以做到很小，如果水槽横截面宽度方向的尺寸做大了，那么在水槽内的水流就是湍流状态，离子运动就会受到影响。简而言之,就是一个宽度(X轴方向，沿地球磁力线方向)大的大水槽,如果海水在里面流动是湍流,就可以把大水槽沿磁力线方向隔成多个宽度(X轴方向，沿地球磁力线方向)小的水槽来限制湍流。

Description

一种在海水淡化及提取海盐设备设施里限制湍流的方法

技术领域

涉及海洋化工领域。

背景技术

目前海水淡化技术大体分为两种，蒸馏法和膜法，这两种方法都需要很大的能量，成本很高，达到0.5到1.0美金；这两种方法产能也小，靠蒸馏法慢慢地传导热量和膜法慢慢地渗透来淡化海水，产量太小了。科学家们多数寻求其他方法来实现成本降低和产能增加。本发明就是一种利用地球磁场来淡化海水的发明，因为离子受到洛伦兹力不做功，所以该方法淡化海水的成本低廉。同理，能淡化海水就是能浓缩海水，然后再分拣离子就可以得到想需要的海盐溶液，进而得到盐，这比起在陆地开矿要好的多，成本低，污染少。目前利用地球磁场淡化海水和利用地球磁场提取海盐的研究正逐步取得进展，但是对于水槽里的水流的流动形态却是没有解决办法。

发明内容

一种在海水淡化及提取海盐设备设施里限制湍流的方法，就是在淡化海水及提取海盐设备设施里有一个或多个与地球磁力线大约垂直的水槽，水槽的横截面在地球磁力线方向的尺寸比水槽的横截面在垂直于地球磁力线和水流的流动方向尺寸的1.0倍要小，同时要求水槽的横截面在地球磁力线方向的尺寸在0.00001-0.5米之间，即1*10^-5到5*10^-1米之间。

目前利用地球磁场淡化海水和利用地球磁场提取海盐的研究正逐步取得进展，但是对于水槽里的水流的流动形态却是没有解决办法。下面就是这技术概况：

利用地球磁场淡化海水就是用一个垂直于地球磁力线的水槽来抽取海水，使海水在水槽里高速流动，海水在高速流动，那么也就是海水中的离子相对于地球磁场在做高速运动，由于水的流动方向是垂直于地球磁力线的，那么运动的离子就会受到垂直速度方向的洛伦兹力作用，那么阴阳离子就会分别向两边运动，向两边靠拢，中间区域就会留下没有离子的淡水，等水流到水槽末端，再把中间区域的水隔离出来就是淡水,如图1,图2,图3,其中图1是外观图,图2是内部结构图，图3是分析图,其中图1里的注释1, 注释2,图2里的注释3, 注释4表示的都是隔板,用来分开淡水和带离子的水.图3里的L1,L2,L3,L4是影响淡化海水的几个参数;图3里的3-1表示海水流动方向,3-2表示离子运动的类似轨迹,3-3是淡水流出的出口,3-4和3-5是带离子的水流出的出口,3-4和3-5两种水混合一起就是浓缩后的海盐溶液。但是在隔离淡水时，要求这个水流不能是湍流，要求是层流，也就是离子要按照洛伦兹力的作用运动，不能又跑到中间区域去了，那样中间区域就不是淡水了。更准确低说，要垂直于地球磁力线和水流流动方向的方向上是层流，不能干扰离子的运动，至于水槽在地球磁力线方向，则对离子运动没有影响。

利用地球磁场提取海盐就是利用地球磁场分拣离子，把海水泵入置于地球磁场环境里的一个垂直于地球磁力线的水槽里，海水在水槽体里流动，也就是离子在运动着，海水中的离子就会在地球磁场的作用下运动，等离子完成了在洛伦兹力等作用下的运动后，带电的阴阳离子就会分别靠到了水槽的两边上去了，等海水流到这个水槽末端，离子就会再次在地球磁场里做运动，这时所有的离子都在同一起跑线上，再根据各种离子带电的大小，离子体积大小也就是离子运动阻力的大小，离子的质量大小等因素影响造成离子到达另外一个水槽外壁的先后顺序，可以计算出或者测出所要提取的离子会出现的区域，再在这个区域里收集所需的离子，再按同样的方法收集所需的另一相反极性离子，然后把这两种离子按等电量加在一起，就是所需的海盐溶液，其余的离子不需要的，就随海水一起流走了。再对这收集到海盐溶液浓缩提纯，结晶，就会得到想要的盐分，进而得到想要的金属,如图4,图5,图6,图7,其中图4是外观前视图,图5是外观后视图,图6是内部结构图，图7是分析图,其中图4里的注释5,注释6表示海水进口的隔板,离子要先运动到这个板上,再在这同一起跑线上开始分拣,图5里的注释7, 注释8, 注释9, 注释10表示分拣离子的隔板,用来截取所想要的离子.图7里的L1，L2，L3，L4，L5，L6，L7，L8是影响淡化海水的几个参数，可以根据不同的离子来调整这几个参数就可以分拣离子，图7里的7-1表示海水流动方向，7-2表示离子运动的类似轨迹，7-3和7-4是表示分拣的类似轨迹，7-5,7-6,7-7,7-8,7-9,7-10是各种离子收集的区域，不同的离子收集的区域不同，参数也不同。同样地这里要求这个水流不能是湍流，要求是层流，也就是离子要按照洛伦兹力的作用运动，不能又跑到中间区域去了。同理，也是要垂直于地球磁力线和水流流动方向的方向上是层流，不能干扰离子的运动，至于水槽在地球磁力线方向，则对离子运动没有影响。

因为离子受到的洛伦兹力是垂直于离子的运动方向的，所以离子在水槽里是做圆周运动（参照物为水流时），要实现海水淡化和分拣离子提取海盐，那么就要使离子在水槽里的运动半径大于水槽在这个方向的尺寸（这个方向是指垂直磁力线和水流流动方向的方向）。那么多的离子，只管运动半径最小的就可以了。F（向心力）=MV^2/R,F（洛伦兹力）=QVB(B是磁场强度),这时，洛伦兹力就是向心力，F（向心力）=MV^2/R=F（洛伦兹力）=QVB，即可得到 R=MV/QB,V,B是设备参数，M和Q是离子参数，所以最小半径的离子应该是镁离子，其余的小半径离子含量很小。离子运动半径，R=MV/QB，以钾离子为例，钾离子的质量为6.5×10^-26kg，带电荷为1.6021892x10^-19库仑，假定磁场强度为1特斯拉，要想离子运动半径为0.01M的话，那么离子运动的速度约为5 x10^5 M/S，这个运动速度很大，炸药爆炸的速度是8000 M/S，这个算出来的速度大体是爆炸速度的100倍，这是不可能做到的，所以只有减小磁场了，那就以平常速度1 M/S，要想离子运动半径为0.01M来算，那么磁场强度大概是5x10^-5特斯拉，而这个值差不多就是地球磁场的强度，地球磁场是最小的了，其它人工磁场都比地球磁场要大。所以用地球磁场为工作磁场,同时水槽在垂直磁力线和水流流动方向的尺寸为0.02-0.05米之间较为适当,其它的尺寸也可以,速度在1-25米每秒之间为适当,其它的速度也可以.选用其它尺寸和其它速度的,有些条件可能会苛刻些.

根据这个关系，利用地球磁场，海水速度在正常范围内，如1-25米每秒，那么水槽的在这个方向的尺寸大约是0.01米左右，太小了想把水流里的淡水分开，分不开的，尺寸小成本大产量小，水槽在这个方向的尺寸大了离子就会在水槽里做圆周运动。但是水的粘度低，在这个尺寸这个速度下的水槽里的水是湍流状态，不利于分开淡水和带离子的水，而要实现淡化海水和提取海盐，这个就不可以了。水在一般状态下基本上都是湍流的。

判断水流动形态的,大学化工原理里有讲到，有个雷诺系数, 中文名称,雷诺数,英文名称：Reynolds number 。雷诺根据实验结果指出，水流流动型态由下列因素决定：（1）流速,流速小时容易出现层流，流速大时则发生紊流；（2）管道直径,在其他条件不变的情况下，管道直径小易发生层流，直径大易发生紊流；（3）粘滞性,粘滞性大的水体易发生层流，粘滞性小的水体易发生紊流.雷诺把这几个因素综合在一起，得出：Re=ρvd/r 式中；Re为雷诺数，ρ为流体密度，d为管道直径，v为管道中平均流速，r为液体的动力粘度。雷诺数小，意味着流体流动时各质点间的粘性力占主要地位，流体各质点平行于管路内壁有规则地流动，呈层流流动状态。雷诺数大，意味着惯性力占主要地位，流体呈紊流（也称湍流）流动状态，一般管道雷诺数Re4000以上为紊流状态，Re=2000～4000为过渡状态，管道雷诺数为Re2000以下为层流状态。在不同的流动状态下，流体的运动规律、流速的分布等都是不同的，因而管道内流体的平均流速υ与最大流速υmax的比值也是不同的。因此雷诺数的大小决定了粘性流体的流动特性。对于海水淡水而言，Re=ρvd/r=1000kg/m^3*v*d/0.000894N.S/M^2,约为1*10^6*V*d，据此计算，水的流动形态多为湍流。要想Re小于2000，速度按2米每秒，那么直径要在0.001米，即1.0毫米以下。这么小的尺寸，这么小的水流，还要分成三股，取中间的淡水出来，很难做的到。

一般情况下水槽壁附近水的流速要比水槽中心里水的流速要小很多,因为水和水槽壁之间有摩擦作用，水的流速是从水槽中心向水槽壁呈梯度减小的,靠近水槽壁的速度最小,水槽中心的速度最大.当水的流速(这个流速是指整体的流速,是指轴向的流速)有变化时,中心区域速度的变化要比靠近水槽壁的变化要剧烈的多，不同速度的区域就会搅动，从而形成湍流.当水流为湍流时,水流动的形态是很复杂的，水槽壁旁边的水有可能跑到水槽中心里去,水槽中心里的水有可能跑到水槽壁旁边去.下面就在几种与地球磁力线垂直放置的水槽里看速度递减情况：

图8是水槽为圆形时的速度递减分布情况，从圆中心向外递减,箭头表示从速度大的点到速度小的点的变化方向,圆中心的速度最大，圆壁附近点的速度最小.其中设X轴为地球磁力线方向，Y轴为初始洛伦兹力的方向，即垂直于水流流动的方向和垂直于地球磁力线方向。这时在直径1.0毫米以上流动形态为湍流,不符合所需要流动形态，在直径1.0毫米以下的水槽不予考虑，提取淡水困难。

图9是水槽为正方形时的速度递减分布情况，从正方形中心向外递减,箭头表示从速度大的点到速度小的点的变化方向,正方形中心的速度最大，同样设X轴为地球磁力线方向，Y轴为初始洛伦兹力的方向，即垂直于水流流动的方向和垂直于地球磁力线方向。这时在边长1.0毫米以上流动形态为湍流,不符合所需要流动形态，在边长1.0毫米以下的管道不予考虑，提取淡水困难。

图10是水槽为长方形时的速度递减分布情况, 箭头表示从速度大的点到速度小的点的变化方向,在图中可以看出，从长方形中心向外边直至水槽壁递减,几个点A3,B3,C3,D3,E3,F3,G3,H3,I3,J3等水槽中心的速度最大，A1,B1,C3,D1,E1,F1,G1,H1,I1,J1,A5,B5,C5,D5,E5,F5,G5,H5,I5,J5水槽壁边水的速度最小，这时流动形态多为湍流。同样X轴设为地球磁力线方向，Y轴为初始洛伦兹力的方向，即垂直于水流流动的方向和垂直于地球磁力线方向。值得注意的是，中间有一段区域的速度递减只是一个方向的递减，即X轴方向有递减，A1，A2，A3，A4，A5 到J 1，J 2,J 3，J 4，J 5有递减，但是在Y轴方向中间有一段是没有递减的，A3,B3,C3,D3,E3,F3,G3,H3,I3,J3没有递减的，A1,B1,C3,D1,E1,F1,G1,H1,I1,J1没有递减的，A5,B5,C5,D5,E5,F5,G5,H5,I5,J5没有递减的,当水流的速度有变化时,水流只在X轴上发生絮乱,Y轴上则没有絮乱,则离子在Y轴上运动不会受到影响.只要把长宽比例调到合适的时候，就可以让中间一段在Y轴方向没有速度递减的区域足够大，大到能把水流分成三股，把中间的淡水截取出来不那么困难了，这个正符合海水淡化或海水浓缩的要求，离子可以Y轴方向运动，而不会随水流再流回去了，至于在X轴上有速度递减，就是有湍流产生也不怕，那个方向对离子分离没有影响的。由于水流不在X轴方向这个方向上分开什么的，而是在Y轴方向要分成三股，所以这个长方形的水槽，在Y轴上的尺寸要足够大，因为要把水流按这个方向分成三股，取中间的一股淡水出来，这个方向尺寸小了设备设施做起来困难，而在X轴方向的尺寸可以做到很小，几微米都可以。这个长宽比例要多少合适，是跟几个因素有关，具体点的要求就是长度/宽度之比要大于1.0，按实际数值来讲宽度尺寸要在0.00001-0.5米之间。实际应用的话，水槽横截面的宽度尺寸可能在0.5-2.0毫米左右，水横槽截面的长度在0.02-0.05米之间。

优选地，水槽横截面的宽度尺寸在2.0毫米。

优选地，水槽横截面的长度尺寸在0.02米。

图11中注释11表示方框内就是一个水槽（把X轴也就是宽度方向与地球磁力线方向一致）里可以截取出来淡水的区域。这样就可以设计出一个长方形的水槽，宽度要足够小，把宽度方向也就是X轴方向与地球磁力线方向一致的，长度在离子最小运动半径之内，比如是0.02米,宽度可以做0.001米或者0.0001米或者更小，那么在水槽中间有部分区域流动形态就比较简单，或许是层流，或许是在Y轴方向算层流，在X轴方向是湍流，都符合要求，如外观图12，内部结构图13，从图12图13可以看出长比宽要大很多倍。到大规模应用时，可以用很多个这样相同宽度小的水槽并排一起使用，每个水槽都能收集一些淡水，很多个水槽收集起来的淡水就很可观了如图14,图14中注释12表示多个水槽共用一个淡水截取槽,这个槽里流出的就是淡水。

同理，离子分拣的道理也和海水淡化类似，水槽也要采用同样的方法来制作，如外观图15，内部结构图16，从图15图16可以看出，长比宽要大很多倍了。大规模生产时可以用多个这样的水槽并排使用，如内部结构图17，外观后视图图18，其中图18里注释13, 注释14, 注释15, 注释16是各个不同离子收集区域。这样就解决了淡化海水和提取海盐的湍流问题了。

总的说来，就是在海水淡化及提取海盐设备设施里有一个或多个与地球磁力线大约垂直的水槽，由于水流在水槽横截面的长度方向（Y轴方向，垂直于地球磁力线和水流流动方向的方向，如果水槽水平放置，Y轴方向就是竖直方向）要分成几股，取中间的某一股出来，所以这个长方形的水槽，在水槽横截面的长度方向（Y轴方向，垂直于地球磁力线和水流流动方向的方向，如果水槽水平放置，Y轴方向就是竖直方向）的尺寸要足够大，这个方向尺寸小了要分成几股，设备设施做起来困难，而在水槽横截面的宽度方向（X轴方向，沿地球磁力线方向）不用分开什么的，所以水槽横截面的宽度方向（X轴方向，沿地球磁力线方向）的尺寸可以做到很小，几微米都可以，如果水槽横截面的宽度方向（X轴方向，沿地球磁力线方向）尺寸做大了，那么在水槽内的水流就是湍流状态，离子运动就会受到影响。简而言之,就是一个宽度（X轴方向，沿地球磁力线方向）大的大水槽,如果海水在里面流动是湍流,就可以把大水槽沿磁力线方向隔成多个宽度（X轴方向，沿地球磁力线方向）小的水槽来限制湍流,从而让离子顺利地完成分离.

实施方式

这个长方形的水槽可以用塑料挤出机来制作，也可以用层压来制作，这个就要看水槽的宽度是多少以及水槽的材料了，当用塑料宽度在0.5毫米以上时用挤出机来制作是没有问题的，当水槽宽度小于0.5毫米时，就可以用层压来制作，层压可以制作间隙很小的水槽。因为要用地球磁场来淡化海水或分拣离子，所以水槽要求是不能隔磁的，材料要用不隔磁的材料,材料可以用塑料，玻璃，非隔磁金属等。实际使用中，这个设备设施都是许多同样的水槽，并排使用，每个水槽都能单独产生作用，集中起来就有很大的生产能力。因为这个海水淡化方式或离子分拣方式是把海水流过水槽就可以实现，更有洛伦兹力不做功，所以成本远远低于其他方式，产能也比其它方式要大很多。由于避开了蒸馏法的热慢慢传导，水蒸气慢慢凝结，也避开了膜法的离子慢慢渗透，所以该方式大大优于蒸馏法和膜法。

附图说明：

图1： 单个海水淡化（海水浓缩）处理单元后视图。

图2： 单个海水淡化（海水浓缩）处理单元内部结构图。

图3： 单个海水淡化（海水浓缩）处理单元分析图。

图4： 单个离子分拣处理单元前视图。

图5： 单个离子分拣处理单元后视图。

图6： 单个离子分拣处理单元内部结构图。

图7： 单个离子分拣处理单元分析图。

图8： 圆形水槽分析图。

图9： 正方形水槽分析图。

图10：长方形水槽分析图。

图11：长方形水槽提取淡水区域示意图。

图12：单个海水淡化（海水浓缩）长方形水槽外观图。

图13：单个海水淡化（海水浓缩）长方形水槽内部结构图。

图14：多个海水淡化（海水浓缩）长方形水槽示意图。

图15：单个离子分拣长方形水槽外观图。

图16：单个离子分拣长方形水槽内部结构图。

图17：多个离子分拣长方形水槽内部结构图。

图18：多个离子分拣长方形水槽示意图。

Claims (2)

1.一种在淡化海水及提取海盐设备设施里限制湍流的方法，就是在淡化海水及提取海盐设备设施里有一个或多个与地球磁力线大约垂直的水槽，水槽的横截面在地球磁力线方向的尺寸比水槽的横截面在垂直于地球磁力线和水流的流动方向尺寸的1.0倍要小。

2.如权利要求1所述，一种在淡化海水及提取海盐设备设施里限制湍流的方法,其特征在于水槽的横截面在地球磁力线方向的尺寸在0.00001-0.5米之间，即1*10^-5到5*10^-1米之间。