Устройство для безреагентной обработки воды

Изобретение относится к промышленной обработке воды и может быть использовано в теплоэнергетике, химической и других областях промышленности для предотвращения накипеобразования в теплообменном оборудовании.

Из научно-технической литературы известно, что основные проблемы, возникающие при эксплуатации водопроводных систем, - накипеобразование, коррозия и микробиологические обрастания. Поэтому стабильность воды при использовании ее в качестве теплоносителя - один из основных показателей. Стабильной называют воду, не вызывающую коррозии поверхности металла, с которым она соприкасается, и не выделяющую на этих поверхностях осадков карбоната кальция. Нарушение стабильности воды может быть вызвано наличием растворенной угольной кислоты, сероводорода или кислорода, низким значением pH, перенасыщенностью воды карбонатом кальция или гидроксидом магния, повышенной концентрацией сульфатов и(или) хлоридов (см. Беликов С.Е. «Водоподготовка: Справочник», 2007 г., стр. 135).

Известно устройство для магнитной обработки жидкости, включающее корпус из диамагнитного материала и электромагнит, подключаемый к трехфазной сети, установленные в трубопроводе посредством фланцевых соединений (см. патент РФ №2490214, кл. C02F 1/48, 2013 г.), согласно изобретению электромагнит может быть выполнен в виде двух статоров, установленных по длине корпуса устройства и соединенных фланцами, также согласно изобретению направление вращения переменного магнитного поля в статорах может совпадать или быть встречным с направлением вращения потока магнитообрабатываемой жидкости.

Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является устройство для безреагентной обработки жидкости (см. а.с. 1724594, кл. C02F 1/48, 1992 г. - прототип), включающее цилиндрический корпус из диамагнитного материала, электромагнитную систему и магнитострикционный источник ультразвуковых колебаний, причем источник ультразвука выполнен цилиндрическим с внутренней и внешней излучающими поверхностями и расположен внутри корпуса, а электромагнитная система - снаружи корпуса.

Общими недостатками известных технических решений являются относительно низкая противонакипная эффективность воды и эксплуатационные характеристики, а также высокое энергопотребление.

Техническим результатом является повышение противонакипной эффективности воды, эксплуатационных характеристик и уменьшение энергопотребления.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для безреагентной обработки воды, включающем цилиндрический немагнитный корпус, имеющий внутри магнитострикционный источник ультразвуковых колебаний, а снаружи электромагнитную систему из магнитопровода, обмоток и выводов для подключения к источнику питания, согласно изобретению на цилиндрическом немагнитном корпусе установлен с осевым сквозным отверстием корпус из диамагнитного материала, имеющий разъем для подключения к источнику питания и проточку для электромагнитной системы, в которой магнитопровод выполнен в виде нескольких ферритовых колец, установленных друг от друга на расстоянии, обеспечивающее исключение перекрытия вращающихся магнитных полей и на каждом из ферритовых колец расположена катушка, состоящая из не менее трех обмоток с выводами, соединенными по схеме «звезда», при этом все катушки соединены параллельно и подключены к разъему для источника питания, в качестве которого использован источник переменного трехфазного напряжения, создающий переменное напряжение в резонансном звуковом диапазоне частот 32-35 кГц, причем корпус с электромагнитной системой заполнен отвердителем, например эпоксидной смолой.

Обоснование критериев охраноспособности изобретения

Совокупность признаков, содержащихся в независимом пункте формулы изобретения, не известна из уровня техники, что свидетельствует о соответствии заявленного технического решения критерию охраноспособности «новизна». Поскольку одновременное применение магнитострикционного источника ультразвуковых колебаний и электромагнитной системы, электропитание которой осуществляется от источника переменного трехфазного напряжения, создающего переменное напряжение в резонансном звуковом диапазоне частот ферритового кольца 32-35 кГц, обеспечивает возможность одновременного комбинированного воздействия ультразвукового, акустического и вращающихся магнитных полей на воду, что значительно позволяет улучшить ее характеристики и снизить энергопотребление с помощью предлагаемого устройства.

По данным научно-технической и патентной литературы не обнаружена совокупность признаков, позволяющая решать задачу, которая ранее не могла быть решена известными техническими решениями. В уровне техники отсутствуют решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками предлагаемого технического решения, что свидетельствует о соответствии технического решения критерию патентоспособности «изобретательский уровень».

Соответствие заявляемого решения критерию патентоспособности «промышленная применимость» обусловлено тем, что предлагаемое техническое решение работоспособно и возможно его использование в водяных системах производственных потребителей агропромышленного комплекса.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на Фиг. 1 показан общий вид устройства для безреагентной обработки воды в разрезе; Фиг. 2 представлена электрическая схема соединения обмоток и катушек электромагнитной системы.

На чертежах для большей ясности представлены только те детали, которые необходимы для понимания сущности изобретения, а сопутствующие элементы, хорошо известные специалистам в данной области, не представлены.

Устройство для безреагентной обработки воды содержит цилиндрический немагнитный корпус 1, который имеет внутри магнитострикционный источник ультразвуковых колебаний 2, а снаружи электромагнитную систему 3 из магнитопровода 4 и обмоток 5 с выводами для подключения к источнику питания. На цилиндрическом немагнитном корпусе 1 установлен корпус 6 из диамагнитного материала с осевым сквозным отверстием 7, имеющий проточку (не показана) для электромагнитной системы 3 и разъем (не показан) для подключения выводов к источнику питания. В электромагнитной системе 3 магнитопровод 4 выполнен в виде нескольких ферритовых колец, расположенных друг от друга на расстоянии, обеспечивающем исключение перекрытия создаваемых вращающихся магнитных полей. На каждом ферритовом кольце расположена катушка из не менее трех обмоток 5 с выводами, подключенными по схеме «звезда», при этом все катушки соединены между собой параллельно и подключены через разъем к источнику переменного трехфазного напряжения, создающему переменное напряжение в резонансном звуковом диапазоне частот ферритового кольца 32-35 кГц. Корпус 6 с электромагнитной системой 3 заполнен отвердителем, например эпоксидной смолой.

Устройство для безреагентной обработки воды работает следующим образом.

При подаче трехфазного переменного напряжения на соединенные по четыре на каждую фазу катушки (соединенные на одном ферритовом кольце по схеме «звезда») вокруг обмоток 5 создается вращающееся магнитное поле с противоположным направлением вращения в каждом из ферритовых колец, концентрирующееся в кольцевом зазоре между электромагнитной системой 3 и пластинами магнитострикционного источника 2, где протекает поток воды.

Определенная конфигурация катушек позволяет устройству в максимальной мере использовать электромагнитную энергию обмотки, создающей вращающиеся магнитное и акустическое поля. Частота электрического тока подбирается так, чтобы возникал резонансный эффект, который заставляет сжиматься и разжиматься ферритовый сердечник, воспроизводя тем самым звуковые колебания в самом устройстве и колебания, воздействующие на жидкость. В результате одновременно с ультразвуковыми колебаниями и переменным вращающимся магнитным полем на поток воды воздействуют акустические колебания, излучаемые внутренней и внешней поверхностями ферритовых колец, что способствует более глубокому (по сравнению с известными устройствами) изменению физических свойств воды, влияющих на повышение стабильности воды

Повышение эксплуатационных характеристик устройства происходит вследствие уменьшения нагрева устройства за счет исключения токов Фуко, наводившихся на железных элементах конструкции прототипа, и уменьшения тока, потребляемого электромагнитной системой 3 устройства за счет перехода на ферритовые кольца с обмотками, потребляющими ток малой мощности вследствие перехода на трехфазный источник напряжения (14 В) высокой частоты.

Эффективность безреагентной обработки воды, а именно комбинированным воздействием ультразвуковым, акустическим и вращающимися магнитными полями, доказана в результате проведенных исследований на речной воде (общее солесодержание 1098 мс/л, общая жесткость воды 5,2 мг-экв/л, карбонатная жесткость 2,2 мг-экв/л). Эта вода относится к гидрокарбонатному классу.

Продолжительность каждого цикла исследований составляла 48 ч. Количество накипи, образовавшейся на поверхности нагрева электронагревателя, определяли объемным способом. Для этого с поверхности нагрева удаляли накипь 0,2 нормальным раствором кальцинированной соды. Количество соды, оставшейся после нейтрализации, определяли обратным титрованием 0,2 нормальным раствором соляной кислоты. Разность между общим объемом 0,2 нормального раствора соляной кислоты, израсходованной на растворение накипи и обратное титрование соды, и объем 0,2 нормального раствора соды даст количество кислоты, израсходованной на растворение накипи. Это количество пересчитывали на содержание карбоната кальция СаСО₃.

Эффективность безреагентной обработки определяли из соотношения

,

где М₀ - масса накипи, осевшей на поверхности теплообменника за период τ без обработки воды;

M_m - масса накипи, осевшей на поверхности теплообменника за период τ после обработки воды.

Выбор оптимального режима устройства осуществлялся с применением методов планирования экспериментов. В оптимальном режиме получен противонакипный эффект Θ=0,3.

Таким образом, результаты исследований обработки технической воды показали, что противонакипная эффективность заявляемого технического решения выше, чем у существующих аппаратов, благодаря обработке воды одновременно магнитным полем и ультразвуковыми и акустическими колебаниями.