最全33大系列1000+節【理科生必刷】Crash Course 10分鐘速成課 33大系列之工程學外教講解課 快速對工程相關學科有個深度瞭解 P45 - 工程學-44-建造海水淡化廠

路易·巴斯德曾說過 機遇總是垂青有準備的頭腦 我想許多工程師都會同意這Latin 解決工程上的重大挑戰 需要對各個不同領域有良好的整體認識 我們在這一系列中已經討論過其中許多概念 每個概念都為你提供了不同的工具來思考問題 但你也需要一種方法 將所有這些知識整合起來 以制定出一個計畫 工程設計將 Futures 這一點 巴斯德的研究重點在於疾病預防 其中很大一部分在於擁有乾淨可飲的水 不幸的是 世界上仍有很多人無法接觸到安全的水 並美國國家工程院已將增加此類接觸列為21世紀的偉大挑戰之一 任何解決如此重大問題的方案都需要整合許多不同的工程技術 實際上 這需要做出許多選擇 而工程設計能幫助你做出正確的選擇 地球上只有2 5%的水是可飲用的 剩下的大多是海水 這水太鹹了 要接觸那種水 你需要去除鹽分 這個過程稱為脫鹽 我們在觀察像逆滲透這樣的大量分離技術時 看到了一種實現方式 這種技術有時被稱為RO 在足夠大的規模下 RO 每天可以將數百萬升的海水轉化為淡水 事實上 你可以在工業規模上設立一個海水淡化廠來達成這一點 但將一個簡單的想法擴展為一個完整的工廠需要一些嚴謹的設計工作 在工業工程中 流程可能迅速變得複雜 與往常一樣 你必須跟蹤處理過程中的熱傳、質傳和流體力學 以及它與設備中材料的反應 更重要的是 每個部分都相互依賴 因此僅將一些技巧串聯起來是不夠的 相反 你必須將整個過程視為一個整體 從頭到尾的整個流程 這意味著要考慮如何將水送到需要的地方、如何處理廢棄物、如何為設施供電 甚至你的廠區是如何規劃的 當然 你會希望盡可能地讓一切變得更有效率 嘗試一次解決所有問題可能會讓人感到壓力 這就是工程師使用設計工作來理解複雜流程的原因 通常會有一整個工程師團隊參與 目標是釐清問題並系統性地尋找解決方案 你還需要確保整個系統有邏輯 &) 然後進行測試以確認它確實能完成設計時的目標 第一階段是考慮你想要達成的主要結果 以及你需要使用的技巧 反滲透技術是海水淡化廠的核心處理過程 例如 透過將海水壓過薄膜 另一側流出的水會更適合飲用 而鹽分則被留下 那聽起來似乎很簡單 但其實這個想法中隱藏著許多步驟 首先 你需要一種方法將海水從海洋中抽出並引入你的機器中 你還需要一個泵來驅動逆滲透系統 一種電源 以及一種處理多餘鹽水的方法 引入特定設備以滿足您的製程需求 然後將它們連結起來 稱為設計整合 在這個階段 你也需要開始考慮從哪裡可以取得所需的設備、材料和勞動力來建造它 MATCH 與團隊中的其他工程師討論後 你可能會發現有一家供應商生產的水泵已經非常符合你的需求 但是如果價格太高就不合適了 即使在早期階段 最好開始了解事情的大致費用 在設計整合階段添加更多假設設備時 保持總計數是有幫助的 逐漸上升的費用可能迫使你重新設計 甚至完全放棄這個項目 那將會是個遺憾 但及早發現總比在建造中途才發現要好 我們可以假設 到目前為止你加入設計中的泵和水箱並非如此 我們也假設建造一個定制的RO單元的材料和人工成本也 isolated 在預算內 最後 也許你會決定處理多餘鹽水最簡單的方法 就是透過管線將其重新導回海中 在你的設計基礎已經完成的情況下 你已經準備好開始進行改進了 工程師不會直接從設計跳到施工 首先 您會希望盡可能預測您的設備運行狀況 以盡早發現並解決問題 事實上 設計的很大一部分是基於這一步所發現的內容進行重新設計 你可以通過一些粗略的計算對某些部分的行為有相當不錯的了解 如同熱力學所顯示的 像熱機最大效率這樣的簡單公式 可以讓你了解你所能期待的最佳性能 但是細節通常需要更多的努力來解決 如果你想估算你設計的RO單元的效率 你可以運行電腦模擬來測試不同鹽濃度下的性能 計算機模擬通常是研究複雜機械如何運作的較低成本方法 而不是直接建造它們 你發現的任何問題都能幫助你回頭改進你的設計 但墨菲定律也在此時出現了 即使最好的模型也無法完全捕捉您流程中的所有現實行為 這就是為什麼一旦您對設計有相當把握後 就該轉向試驗規模 一種台秤模型是您想要實際應用的流程的簡化物理版本 小到可以放在實驗室的實驗台上 而不是處理數千或數百萬升的水 你的實驗室規模的海水淡化裝置每次可能只會處理大約10升 以更小、更便宜的元件重複你的設計 可以讓你在低成本的情況下從頭到尾測試這個流程 在這個階段 你可能會發現一個關鍵的缺陷 例如你的泵在抽水時同時帶起沙子 可能是這些沙子堵塞了進水口 導致水難以通過薄膜 這種天平設置有助於識別此類問題 為了解決沙子問題 您可以在水進入脫鹽器之前添加IndexPath過濾階段 在這個階段 環境考量也是你不能忽視的重要因素 工業流程通常會產生廢料 以安全且負責任的方式處理這些廢料至關重要 為避免沙堆積堵塞排出口 你需要安排將其收集並運送到其他地方 用於農業或建築 在添加了沙濾器並確保其在實驗室規模下運作正常後 是時候提升到另一個層次了 你還沒有準備好建造一個完整的海水淡化噎 但你越來越接近了 即使一個流程在小規模下運作良好 也不代表隨著規模擴大後會完全重複 請考慮您的逆滲透單元的效率 膜的表面积與體積比可能決定了系統的效率 不幸的是 當你放大膜時 這個數值會改變 工程師稱這種情況為非線性擴展 這在設計工業流程時是一個重大挑 戰為了應對這樣的問題 你應該繼續進行中試規模的測試 飛行模擬器幾乎是您最終廠房的複製品 但通常僅用於處理其最終容量的10%到50% 一些設備可能與你最終使用的相同 但你會希望有足夠的靈活性以進行更改 在測試你的中試規模系統時 例如 你可能會發現泵驅動的逆滲透系統所消耗的能量遠高於你實驗室規模計算所預期的 而且可能需要這麼多能源 除非你找到降低能源成本的方法 否則運營這家工廠將無法負擔 此時 你可能會意識到 可以將一個發電渦輪機安裝在將淡化海水排出大海的管線中 該渦輪機將能讓您回收部分廢料的動能 減少廠內的電力需求並降低成本 一旦你解決了所有小規模試產的問題 你就準備好考慮打造真正的產品了 當然 了解設計的每一個部分與知道如何製作設計的每一個部分是兩件截然不同的事情 例如 你可能無法安裝 RO 膜單元 直到你確切計算出進水管道需要延伸多遠 一般來說 你構建事物的順序可能與你流程中實際發生的順序不同 這意味著你需要一個建造計畫 希望你在準備試驗規模和中試規模的版本時 已經注意到了這些事項 這將會影響最終廠房建設的進行方式 一旦你知道它將如何製造 你就可以真正開始建造它了 但一位優秀工程師的工作並不會在這裡結束 一旦你的工廠開始運作 可能會出現需要解決的新問題 也許幾年後電力價格突然上漲 這可能會威脅到生產的繼續進行 但是你發現太陽能技術的費用在這段時間內已經下降了 這讓你能夠以較低的成本直接為工廠建設一個太陽能發電場 經過所有這些努力 你的植物將能夠安全且負擔得起地為附近所有人提供可飲用水 實際上 這樣規模的專案需要數十名工程師協同合作 以解決設計流程中所有必要的部分 這需要很多努力 但如果你在規劃時謹慎且有條理 就能最大程度地提高解決最大問題的機會 在這集節目中 我們看到設計整合如何幫助你整理流程的各個元件 並決定解決你問題所需的技巧 我們發現需要在擴大生產之前先進行小規模測試 最後 我們了解到如何持續從設計現場收集反饋以改進您的設計 下週回來學習 了解你需要做什麼——是的 就是你——才能成為真正的工程師 《工程速成課》由PBS數位工作室聯 合製作請繼續與我們學習 並查看《物理女 孩》在那裡戴安娜·考溫解釋令人費解的現象和日常神秘現象背後的物理原理 請觀看每個原子與伊芙的物理教學影片 請在描述欄位的連結訂閱 《 Crash Course》是由Complexly製作的節目 本期是在辛尼博 士工作室拍攝的 感謝這些優秀的人員以及我們出色的圖形團隊Thought Cafe的協助