Izmenjava vode med Ca reaktorjem in akvarijem

Avtor: Bojan Jerina

 

Pričujoči članek je nastal kot odgovor  na vprašanja v diskusiji Članek Samogradnja : Kalcijev reaktor na CO2 . Odgovor je postal zelo dolg, pa sem ga spremenil kar v članek. Dodal sem  še nekaj enačb iz fizike gibanja tekočin, za tiste, ki radi računate.

Članek opisuje razne principe , ki se uporabljajo za črpanje vode iz akvarija v Ca reaktor in obratno in je namenjen tistim bralcem , ki so se odločajo za samogradnjo Ca reaktorja ali nameravajo kupiti tovarniško izdelan Ca reaktor, kot tudi tistim , ki reaktor že imajo, pa jih mučijo problemi z nestabilnostjo pretoka.   Svoj Ca reaktor sem preizkusil z vsemi štirimi meni poznanimi načini  izmenjave vode med Ca reaktorjem in akvarijem (sumpom).

Uvodoma želim predstaviti princip delovanja mojega Ca reaktorja, ki omogoča vse štiri obravnavane načine. Princip je ponazorjen na sliki desno. Oranžno obarvani del prikazuje doziranje CO2, modro obarvani del ponazarja kroženje morske vode znotraj reaktorja, medtem ko je  izmenjava vode med Ca reaktorjem in akvarijem (sumpom) ponazorjena s sivo barvo. Skozi cevko (10,11) črpalka sesa vodo iz akvarija.  Reaktor je vodotesno zatesnjen in tako se enaka količina vode po cevki (8,9) vrača nazaj v akvarij (sump). Pretok se regulira z ventilom (9).

Tako izdelan Ca reaktor je prirejen za vse štriri načine izmenjave vode med Ca reaktorjem in akvarijem:

  • črpanje z uporabo črpalke, katera je namenjena kroženju vode znotraj Ca reaktorja,

  • uporabo dozirne črpalke,

  • princip gravitacije in

  • T člen na izhodu glavne sistemske črpalke.

 

1.Črpanje z uporabo črpalke, katera je namenjena kroženju vode znotraj Ca reaktorja

Pričenjam z opisom sistema, ki je trenutno v uporabi  pri meni. Vodo iz akvarija v reaktor črpa kar črpalka MaxiJet 1000, katera je namenjena kroženju vode znotraj Ca reaktorja.

Dobre lastnosti so sledeče

1.) Ne potrebujemo prav nobene dodatne opreme.

2.) Sistem je zelo varen.

Slaba lastnost je predvsem ta, da ima ta sistem zelo majhno črpalno moč. Cevka za iztok vode ne sme biti dosti višje, kot je gladina vode v sumpu. Običajno cevko namestimo le nekaj cm nad gladino vode v sump-u, tako da lahko opazujemo kapljanje. V nadaljevanju sledi izračun višinske razlike , ki jo lahko premagujemo s tem črpalnim principom.

Princip temelji na osnovnih zakonih, ki so opisani v fiziki gibanja tekočin. Tlak  gibajočih tekočin je manjši kot tlak mirujočih tekočin. Razmere opisuje Bernoulijeva enačba, ki opisuje zakonitost  med tlakom in hitrostjo tekočine. V našem primeru imamo mirujočo tekočino (1) v  akvariju (sumpu) in gibajočo tekočino(2), ki jo  skozi cev poganja  črpalka. V tej cevi je luknjica, ki je preko cevke  povezana z vodo v akvariju. 

Zanima nas kako visoko lahko črpamo vodo. 

p(1) + (ρv(1)2)/2 = p(2) + (ρv(2)2)/2   Bernoulijeva enačba

p(2),v(2)  - tlak in hitrost vode skozi cev

p(1),v(1) - tlak in hitrost mirujoče tekočine v sumpu  v(1) =  0m/s

Δp = p(1) - p(2)  = (ρv(2)2)/2

Δp = p(1) - p(2) = rgh  (razlika tlaka, ki ga ustvarja različno visoka mirujoča tekočina)

gh = (v(2)2)/2

h = (v(2)2)/2g

g = 9,8 m/s2

V primeru, da želimo izračunati kakšno višinsko razliko črpanja lahko premagujemo z omenjeno metodo, je potrebno izračunati hitrost vode v cevi v(2).

Potrebna sta podatka o pretoku črpalke in notranjem premeru cevi. V mojem Ca reaktroju imam črpalko 1000 litrov na uro , lahko to pretvorimo v 1m3/h oziroma v 1m3/3600s.  Notranji premer cevi je 13mm.

d(2)  = 13 mm , S(2)= d(2) 2 /4. = 1,33 cm 2  = 1,13 .10-4 m 2 

v(2)= 1m3. 104 m -2  /(3600s.1,13) =  2,46 m/s

h = 0,3  m

Želel bi opozoriti na dejstvo, da se višina meri od gladine vode v sump-u pa do izhoda izhodne cevke. To seveda velja v primeru, če je reaktor zatesnjen.

Kljub dejstvu , da  ta  izračun temelji na nekaterih poenostavitvah, saj ne upošteva viskoznosti, predpostavlja povsem laminaren tok, itd, pa se skoraj povsem ujema z meritvami. V mojem sistemu voda iz Ca reaktorja preneha kapljati, če izhodno cevko dvignem za približno 30 cm nad gladino vode v sump-u.

Pri tem sistemu bi želel opozoriti še na dve slabosti. V kolikor je izhodna cevka nad gladino vode v sumpu, tako da opazujemo kapljanje, potem v primeru izklopa črpalke Ca reaktorja voda iz reaktorja do višine cevke 11 izteče v sump. Ko se črpalka ponovno vklopi, sistem zaradi premalo vode v reaktorju ne more samostojno pričeti z delovanjem. Problem izpraznitve reaktorja lahko rešimo tako, da je tudi izhodna cevka pod vodo v sump-u, seveda pa v tem primeru ne moremo opazovati kapljanja.

Drugo slabost je ta , da sistem ne omogoča avtomatične napolnitve reaktorja, kar pa ni večji problem. Imamo pač nekaj minut več dela takrat, ko odpiramo reaktor, kar počnemo večinoma samo takrat, ko dodajamo medij.

Sicer pa menim, da slabosti te metode niso problematične, saj se situacije, ko se pokažejo te slabosti, redko dogajajo, poleg tega pa slabosti odtehta velika varnost te metode in enostavna , poceni rešitev.

2. uporaba dozirne črpalke

Uporaba dozirne črpalke je najdražja , vendar po drugi tudi najbolj zanesljiva  varianta.

Dobre lastnosti so sledeče:

1.) Imamo stabilen (konstanten) pretok.

2.) Dozirna črpalka avtomatično napolni reaktor, tako da je  zagon zelo enostaven.  Potrebno je samo odpreti ventil , da zrak lahko zapusti reaktor.

3.) V kombinaciji z akvarijskim merilnikom in pH elektrodo v reaktorju lahko s krmiljenjem pretoka  reguliramo optimalen pH v Ca reaktorju.

5.) Cevka za iztok vode je lahko nad vodo, tako da opazujemo kapljanje. Iz stališča varnosti je najbolje , da je izhod te cevke nad vodo in nad cevko, ki zajema vodo. V primeru , da je zajem vode višje kot je izhod iz izhodne cev, je potreben dodaten ventil proti povratnemu toku.

6.) Cevka za vlek vode je lahko  kjerkoli pod vodo.

Slabe lastnosti te variante so sledeče:

1.) Dozirno črpalko je potrebno kupiti . Najcenejša stane približno 18000 SIT.

2.) Dozirno črpalko je potrebno nekam namestiti (potrebuje prostor).

3.) Dozirno črpalko je potrebno vzdrževati.

4.) Regulacija pretoka pri poceni modelih je kar problematična. Še najlažjo to rešimo z akvarijskim krmilnikom , ki črpalko vključuje in izključuje za določen čas, vendar potrebujemo tak krmilnik.

3. Princip gravitacije

Princip gravitacije je zelo podoben sistemu, ki je opisan v točki 1. Razlika je predvsem v tem , da se voda pretaka zaradi gravitacije in ne zaradi sesanja s pomočjo črpalke. Vstopna cev mora torej vodo zajemati višje. Najprimernejša je namestitev kar v zgornji del preliva.

Omenjena metoda ima eno veliko pomankljivot. V primeru, da se glavna sistemska črpalka ustavi, voda iz preliva do nivoja zajema vstopne cevke v Ca reaktor, odteče v "sump" pod akvarijem. To dejstvo moramo upoštevati pri projektiranju velikosti sump-a, kot tudi takrat, ko nameščamo vstopno cevko v preliv.

 

 4. T člen na izhodu črpalke

Princip je podoben kot pri dozirni črpalki, le da izkoriščamo kar glavno črpalko, ki del vode preko T člena in ventila črpa skozi Ca reaktor. To rešitev ne priporočam.

Diskusija