Műszaki Élet, 1983. január-június (38. évfolyam, 1-13. szám)

1983-01-06 / 1. szám

MÉ Építőkocka h­elyen Szélcsatorna helyett számítógép Mi történik, ha egy Boeing-747 óriásrepülőgép rázuhan egy atomerőműre? Kibírja-e ezt a terhelést a betonkupola? Ho­gyan oszlanak szét egy tóban a különböző gyárakból, ipar­telepekről beengedett szennyvizek? H­úsz évvel ezelőtt az ilyen és ehhez hasonló problémák megol­dásához drága, pontatlan ered­ményeket adó modellekre, aero­dinamikai problémák esetén szélcsatornákra volt szükség. Manapság ezekre az egymástól nagymértékben különböző kér­désekre számítógéppel lehet vá­laszolni. Az alapelv egyszerű. Ahogyan az épületek elemekből épülnek fel, bonyolult alakú fe­lületek — például repülőgéptör­zsek, hűtőtornyok — összeállít­hatók nagy számú, egyszerű elemből, leginkább háromszö­gekből, négyszögekből vagy négyzetekből. Egy csatorna vagy egy kikötő vize pedig úgy tekint­hető, mintha nagyszámú, egysze­rű formájú kis vízcsomagból lenne összetéve. Az eljárás nagy előnye, hogy az egyes „építőkockák”­viselke­dését pontosan ismerjük. Ha ezt az információt betáplálják a szá­mítógépbe, a gép az elemeket egésszé építi össze, és kiszámít­ja, hogy az egész komplexum bi­zonyos feltételek mellett hogyan viselkedik, így például meg le­het állapítani, hogyan hat egy bizonyos erősségű földrengés egy felhőkarcolóra. Vagy hogyan ve­szi igénybe az autókarosszériát egy meghatározott egyenetlensé­­gű gödrös út. A technikai szerkezetek jelen­tős része úgy viselkedik, hogy az anyag igénybevétele egyenesen arányos a terheléssel. Igen nagy terhelések esetében azonban — és ilyenek a gyakorlatban elő­fordulnak (földrengés, erős szél) — ez a linearitás megszű­nik. Például a müncheni olim­piai sportcsarnok tetőkonstruk­ciójának kiszámítása már kizá­rólag nemlineáris számítógépes módszerekkel volt egyáltalán le­hetséges. A nemlineáris mate­matikai összefüggésekkel való számításokhoz szükség volt a számítógépek kapacitásának nagyságrendi növekedésére. A véges elemek módszerének továbbfejlesztése nemlineáris problémák megoldására egész sor új felhasználási lehetőséget teremtett. Ilyen például egy re­pülőgép-lezuhanás szimulációja egy atomerőműre. Ma már ott tartunk, hogy a véges elemek módszere minden problémánál felhasználható, amelyet differen­ciál-egyenletekkel le lehet írni. Ez pedig a műszaki problémák­nál gyakorlatilag mindig lehet­séges. Hol vannak a módszer hatá­rai? Egyes esetekben a számítási ráfordítás olyan nagy, hogy el­érheti a legkorszerűbb, legna­gyobb számítógépek kapacitásá­nak határát is. Már viszonylag egyszerű kérdések — mint pél­dául egy hűtőtorony viselkedé­se viharban — több ezer isme­retlenes egyenletrendszerekhez vezetnek. Ennek megoldása még a mai számítógépekkel szemben is nagy követelményeket tá­maszt. A legnagyobb teljesít­ményt azonban az áramlások szimulációja kívánja meg. Az elmúlt év folyamán a NASA-ban egy szuperszámítógép segítségé­vel rakéta repülését szimulálták. A tudósokat elsősorban azok a légörvények érdekelték, amelyek közvetlenül a hangsebesség alatt a rakéta körül keletkeznek. A vizsgálat során a számítógép ne­gyedmillió pontból álló, három­­dimenziós hálózattal számolt. A gép a feladat megoldásához ti­zennyolc óra alatt 100 milliárd aritmetikai műveletet végzett el. Az eredmények teljesen azono­sak voltak azokkal a mérések­kel, amelyeket magával a raké­tával szélcsatornában végeztek. Az egyik tudós meg is jegyezte, a szélcsatornát a jövőben csak a számítógép tárolására fogják használni. Természetesen a dolog koránt­sem ilyen egyszerű. A 18 órás számítógépidőnek a több ezer­szeresét jelentette a program el­készítésének ideje. Az optimális hálózat meghatározása nagyon jó mérnöki munkát igényel. Az optimális hálózat elkészítéséhez bizonyos közelítéseket kell vé­gezni. Ezek a számítást egyszer­­űsítik, ugyanakkor a végered­mény pontosságát nem, vagy csak alig befolyásolják. A kor­szerű számítógépeknél interak­tív előprogramok készítése köny­­nyíti meg ezt a nehéz feladatot. Ma már az eredményeket is nagy részben számítógéppel ér­tékelik ki. Az előbb említett NA­­SA-kísérlet során a rakétát és a légörvényeket színes képernyőn megjelenítve tetszés szerinti szögből lehetett szemrevételezni. A számítógépes munka utolsó fá­zisában a javított konstrukció és az általa okozott légörvények is megjeleníthetők a képernyőn. Ilyen módon néhány lépésben kialakítható az optimális konst­rukció. ez. s. Szilárdsági számításokhoz a véges filam黫 A m­ód­szer évei az építménye­ket háromszögekre vagy négyszö­gekre bontják fel, mint az ábrán lát­ható hűtőtoronynál. 4 Üveg membránok Tengervíz-sótalanítás Nagy mennyiségű friss víz előállítása a tengervízből igen fontos feladat a természetes ivóvízben szegény országok számára vagy pl. hosszú ideig a tengert járó hajókon. Ai ku­tatók állandóan új vízsótalanítási módszereket fejlesztenek ki. A fordított ozmózisos sótalanítás különösen előnyös, mi­vel nem igényli a desztillációs eljárásokhoz szükséges hőt és így viszonylag kevés energiát fogyaszt, emellet a be­rendezés kis helyen is elfér. A módszer teljesítménye nagy­mértékben fokozható üveg membránok alkalmazásával. A fordított ozmózis azon a jól ismert jelenségen alapszik, hogy ha koncentrált sóoldatot egy féligáteresztő membrán választ el egy hígított oldattól, a víz a membránon keresztül a hígított oldatból a koncentráltba áram­lik, a mozgatóerőt az ozmózis­nyomás adja. Ha a koncentrált sóoldatra fokozatosan növekvő nyomást adunk, ennek hatására először csökken az átáramlás a membránon, majd teljesen meg­áll, ha az alkalmazott nyomás egyenlő az ozmózisnyomással. A nyomás további fokozásának ha­tására a víz a koncentrált oldat­ból halad a hígított felé. Ezt a folyamatot hívják fordított oz­mózisnak, és ez az alapja a friss víz előállításának tengervízből oly módon, hogy egyszerűen nyo­mást gyakorlunk a megfelelő membrán belsejében levő sós vízre. A membrán anyaga Lényeges, hogy a membránnak nagyszámú, megfelelő átmérőjű pórusa legyen. A tapasztalat szerint a pórusok átmérőjé­nek 2—4 nanométer között kell lennie; a kisebb póru­sok túl nagy ellenállásúak, a nagyobbak pedig átengedik a nátrium, klór és egyéb elemek hidratált ionjait. A membránnak emellett elég erősnek kell lennie ahhoz, hogy kibírja az alkalma­zott nyomást, ami tengervíz sóta­­lanítása esetében 8,4 MPa. Fon­tos továbbá a tartós fizikai és ké­miai stabilitás, állékonyság is. Bizonyos szerves anyagok, pl. a cellulózacetát, kielégítik a membrán anyagával szemben támasztott igények egy részét, de ezek a hosszan tartó, nagy nyo­más hatására deformálódnak, ami csökkenti a pórusok mére­tét, és akadályozza az áramlást. Egyes membránanyagokat a víz kémiai reakciója — hidrolízis — károsít, bizonyos feltételek mel­lett pedig biológiai hatások okoz­hatják teljes tönkremenetelü­ket. Ezek a problémák csökkent­hetők, ha kisebb nyomást alkal­mazunk, vagy savasítjuk és csí­­rátlanítjuk a vizet, de ezek a megoldások megnövelik a fordí­tott ozmózisos telep méretét, és csökkentik az eljárás alapvető egyszerűségét. Az üvegmembrán nem defor­málódik az üzemi nyomás hatá­sára, kémiailag igen stabil, és nem támadják meg biológiai ha­tások, mindenképpen előnyösebb tehát, feltéve, hogy a finom pó­rusok a kívánt sűrűségben állít­hatók elő. Szerencsére van olyan eljárás, amelynek segítségével viszonylag könnyen előállítható mikropórusos üveg. Bár az üveg általában homogén fázisban van olvadt állapotban, és ebben a formában hűthető szobahőmér­sékletre, egy további hőkezelés­sel két különböző fázisra vá­lasztható szét. 2000 km grammonként Elérhető, hogy a két fázis köl­csönösen kapcsolódjék egymás­hoz, fonalas szerkezet formájá­ban. Ha az egyik fázis hígított savban oldható, a másik viszont igen stabil és vegyileg ellenálló, akkor ezt a kétfázisos üveget savban kezelve az oldható anya­gú fonalak feloldódásával a má­sik fázisból felépülő porózus váz marad csak meg. A nátrium—bórszilikát típusú vegyületek különösen alkalma­sak mikropórusos üveg membrá­nok készítésére. A hőkezelés fo­lyamán az üvegben egy nátrium­­borót és egy csaknem tiszta szi­líciumfázis alakul ki. Ily módon — megfelelő körülmények között — erősen porózus szilíciumüveg­­membránok állíthatók elő, a for­dított ozmózishoz szükséges membránnak megfelelő jellem­zőkkel. Egy ilyen anyagról transzmissziós elektronmikrosz­kóppal készített felvételen jól látható a nagymértékben össze­kapcsolódó pórusszerkezet. A membrán különleges szerkezetét jól érzékelteti egyetlen adat: az anyag 1 grammjában levő póru- Pórusótiitra (nm) Mikropórusos üveg pórusméreteinek megoszlása. Az ábrázolt esetben a minta pórusai nagyjából azonos mé­retűek, az átlagos átmérő 3,7 mm Az űrig­s üvegszál tegy forgó dobre tekeregik Üreges üvegszál előállítása sok vázának teljes hossza össze­sen mintegy 2000 km! Broximán­s felü­let Hatékony fordított ozmózis céljára térfogategységenként a lehető legnagyobb felületet kell előállítani. Üveg esetében ezt legcélszerűbben úgy érik el, hogy a membrán üreges szálak formá­jában készül, folyamatos húzási eljárással, platina tégelyben, elektromosan hevített olvasztott üvegből. A szál átmérője általá­ban 0,2 mm, falvastagsága 10— 20 //m. Alternatív megoldásként 4 mm átmérőjű és 0,5 mm fal­­vastagságú üvegcsövet állítanak elő szabványos üveggyártási el­járással, ezt azután speciális ke­mencében újra felhevítik, és így húzzák ki a kívánt végső átmé­rőjű üreges szál formára. Más­fél méternyi 4 mm-es üvegcsőből csaknem 2,5 km-nyi szál készít­hető. Ennek az eljárásnak, bár nem folyamatos, előnye, hogy nincs szükség platina tégelyre. Húzás után a szálból hőkezelés­sel és savazással állítják elő a kívánt mikroporózus formát. A szálmembránokból többféle módon készíthető fordított oz­mózisos modul. Az egyik legegy­szerűbb módszer szerint egy szo­rosan összefogott szálköteget cel­lába építenek, és nyomás alatt tengervizet szivattyúznak a kö­rülvevő térbe úgy, hogy a sóta­­lanított víz a szálak furatában gyűlik össze, és könnyen leszív­ható. Az üvegmembránok teljesít­ményének kísérleti vizsgálatai biztató eredményeket adtak. A cél természetesen az, hogy a le­hető legjobb áramlást érjük el, a lehető legtöbb só visszatartása mellett. A gyakorlatban komp­romisszumos megoldást kell ta­lálni, mert a kisebb pórusmére­­tek — bizonyos határok között — pl. javítják a sóvisszatartást, de csökkentik az áramlást. Az el­ért áramlástól függően a sóvisz­­szatartás mértéke 60 és 90 száza­lék között változik, de még ez utóbbinál is napi 3,5 m3 sótalaní­­tott víz volt előállítható 1 m2-nyi membránon. Az eddig elvégzett vizsgálatok alapján a mikropó­rusos üveg feltételezett kémiai és fizikai állandósága is igazoló­dott. GÁBOR JÁNOS A Spectrum cikke nyomán Fordított ozmózis alapján működő berendezés elvi vázlata KUTATÁS

Next