ВИХРЕВОЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ ВОДЫ
VORTEX ELECTROMAGNETIC WATER TREATMENT DEVICE

Изобретение относится к технике обработки воды и предназначено для очистки и предотвращения образования твердых отложений на рабочих поверхностях элементов систем водоподготовки и водоснабжения.
Поддержать на должном уровне условия теплообмена в системах водоподготовки и сократить энергетические потери - актуальная и сложная задача по предупреждению образования накипи на внутренних стенках труб из-за содержания в носителе (воде) минеральных солей (магния, кальция и др.). Сегодня эти задачи решаются с использованием химических и физических (безреагентных) методов.
Интересен электромагнитный метод обработки воды благодаря своим широким возможностям. Здесь под действием электромагнитного поля в рабочем объеме технологического объекта (элемента системы водоподготовки или водоснабжения - трубы с водой) изменяются физические свойства воды без изменения солевого состава. Содержащиеся в ней силикаты, магниевые и кальциевые соли теряют способность формироваться в виде плотного камня и выделяются, особенно после подогрева, в виде легко удаляемого шлама. Кроме того, обработанная таким образом вода разбивает и удаляет уже отложившуюся накипь и препятствует ее дальнейшему образованию.
Из источников научно-технической и патентной информации известны следующие технические решения по электромагнитной обработке воды.
Известно устройство для электромагнитной обработки воды по Патенту GB №2312635, C02F 1/48, приоритет 29.04.1996, опубл. 05.11.1997. Устройство содержит последовательно включенные источник питающего напряжения, генераторный блок и антенну, выполненную в виде соленоида со свободным концом, закрепленного на трубе с водой. Генераторный блок содержит двухфазный генератор электрических колебаний. Его сигналы сложной формы проходят в антенну-соленоид и воздействуют на воду, протекающую через трубу.
Известно устройство для электромагнитной обработки жидкости по А.с. SU №865832, C02F 1/48, опубл. 23.09.1981, которое содержит последовательно включенные схему управления, трехфазный тиристорный преобразователь и трехфазные электромагнитные обмотки, закрепленные на диамагнитный объект воздействия. Тиристорный преобразователь подключен к питающей трехфазной сети.
В качестве прототипа выбрано устройство для омагничивания лекарственных и пищевых жидкостей по Патенту RU №2089513, C02F 1/48, опубл. 10.09.1997. Оно содержит устройство управления, управляющее работой источника переменного тока через токовый ключ, и соленоид, закрепленный на кювете с жидкостью. В соленоид проходят электрические сигналы от источника переменного тока по закону работы устройства управления.
Перечисленные устройства имеют общие недостатки, которые заключаются в недостаточно эффективном воздействии на жидкостную среду через электромагнитное воздействие, не позволяющем качественно изменить ее физическое состояние. Например, в известных устройствах [1-3] электромагнитное воздействие на жидкость осуществляется по сигналам источника переменного тока, модуляцию которых выполняет электронный ключ (тиристорный преобразователь). Источником электромагнитного излучения здесь выступает соленоид, в рабочем пространстве которого размещен технологический объект (жидкость). Отмеченные недостатки относятся и к выбранному прототипу [3] заявляемого устройства.
Для эффективного изменения физических свойств воды требуется формирование широкополосных сигналов воздействия заданной мощности по случайному закону требуемого вида, что трудно обеспечить при использовании генератора электрических колебаний.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности обработки воды за счет создания вращающегося (вихревого) электромагнитного поля в рабочем объеме технологического объекта системы водоподготовки и водоснабжения.
Достижение технического результата в предлагаемом вихревом электромагнитном устройстве для обработки воды, содержащем последовательно включенные блок генерации сигналов и блок управления, подключенный к шине управления, и индуктивный элемент, закрепленный на технологическом объекте, достигается за счет введения блока индикации, генератора синхронизации, электронного коммутатора и многополюсного трансформатора тока, состоящего из n индуктивных элементов с эластичным магнитопроводом, закрепленным на магнитопроводящей поверхности технологического объекта, выводы его n индуктивных элементов подключены к одноименным выводам электронного коммутатора, информационный вход электронного коммутатора подключен к первому выходу блока генерации сигналов, а вход синхронизации - к выходу генератора синхронизации, второй и третий выходы блока управления подключены к одним входам блока индикации и генератора синхронизации соответственно, второй вход блока индикации подключен к другому выходу блока генерации сигналов.
Вихревое электромагнитное устройство для обработки воды поясняется чертежами. На фиг.1 показана его блок-схема, на фиг.2 и фиг.3 - варианты выполнения блока генерации сигналов и размещения трансформатора тока на технологическом объекте; на фиг.4 (только для пояснения) представлен один из вариантов выполнения электронного коммутатора устройства.
Вихревое электромагнитное устройство для обработки воды (фиг.1) содержит блок 1 генерации сигналов (БГС), блок 2 управления, блок 3 индикации, электронный коммутатор 4, многополюсный трансформатор 5 тока, состоящий из n индуктивных элементов 6-1, 6-2, … 6-n, равномерно установленных на эластичном магнитопроводе 7, радиально закрепленном на технологическом объекте 8 с магнитопроводящей поверхностью 9, генератор 10 синхронизации и шину 11 управления.
Выводы индуктивных элементов 6-1, 6-2…6-n многополюсного трансформатора 5 тока подключены к одноименным выходам электронного коммутатора 4. Его информационный вход и вход синхронизации подключены к первому выходу БГС 1 и выходу генератора синхронизации соответственно. Второй информационный выход БГС 1 подключен к одному входу блока 3 индикации. При этом первый, второй и третий выходы блока 2 управления подключены соответственно к одноименным входам БГС 1, блока 3 индикации и генератора 10 синхронизации, а вход управления подсоединен к шине 11 управления.
Устройство работает следующим образом.
Первоначально устройство (фиг.1) неактивно. Перевод его в рабочее состояние осуществляется по сигналу «Управление», поступающему по шине 11 управления на вход блока 2 управления. Блок 2 управления формирует управляющие сигналы, по которым запускается генератор 10 синхронизации и начинает работать БГС 1 в заданном режиме. Блок 3 индикации отображает режим работы БГС 1.
Блок 1 генерации сигналов (фиг.2) выполнен на основе последовательно включенных микроконтроллера 12 и управляемого усилителя 13 мощности. При поступлении управляющих сигналов с выхода блока 2 управления устанавливается требуемая мощность работы усилителя 13 мощности и задается требуемая цифровая последовательность (по случайной зависимости) формирования импульсных сигналов микроконтроллера 12 БГС 1 в соответствии с параметрами (скорость и вид движения, температура нагрева, состав) носителя (воды) технологического объекта 8.
T
T
T
Сформированные БГС 1 электрические сигналы проходят на информационный вход электронного коммутатора 4 (фиг.4), который осуществляет их распределение по n выходам с частотой тактирования F генератора 10 синхронизации. В результате в каждый момент времени T=1/F на один из n индуктивных элементов 6-1, 6-2, … 6-n многополюсного трансформатора 5 проходят токовые импульсы цифровой последовательности БГС 1 и наводят в среде эластичного магнитопровода 7 вихревое (вращающееся) электромагнитное поле заданной величины, замыкающееся на магнитопроводящую поверхность 9 технологического объекта 8.
Наведенное электромагнитное поле взаимодействует с носителем (водой) технологического объекта и изменяет его физические свойства за счет процессов намагничивания и коагуляции минеральных солей. Эффективность этих преобразований носителя с разной концентрацией солевого состава обеспечивается соответствующим выбором интенсивности и пространственной ориентации возбуждаемого электромагнитного вихревого поля, что достигается установлением необходимого закона формирования случайной цифровой последовательности импульсных сигналов, их электрической мощности и способом закрепления многополюсного трансформатора 5 тока на рабочей поверхности технологического объекта.
Так, например при ламинарном режиме движения носителя (воды) предпочтение отдается поперечному размещению многополюсного трансформатора 5 тока, когда его эластичный магнитопровод 7 с равномерно расположенными друг относительно друга индуктивными элементами 6-1, 6-2, … 6-n замыкается по наиболее короткому пути поверхности технологического объекта 8 (фиг.3).
В случае турбулентного режима движения носителя многополюсный трансформатор 5 тока может закрепляться на поверхности технологического объекта 8 по винтовой поверхности (на фиг.3 не отображено), т.е. поперечно-продольно. В этом случае увеличивается эффективная площадь S взаимодействия вихревого электромагнитного поля на носитель:
,
где L=πD·tgα·N - длина намотки эластичного магнитопровода 7, С - длина образующей окружности трубопровода технологического объекта 8, D - его диаметр, tgα - угол подъема витка намотки, N - число витков намотки, возрастает эффективность преобразования носителя. При этом, если технологический объект 8 выполнен из диамагнитного материала (пластик-алюминий-пластик), то в качестве магнитопроводящей поверхности 9 применяют эластичный ферромагнитный материал (ферропленку).
В обоих случаях выбор способа закрепления многополюсного трансформатора 5 тока на рабочей поверхности технологического объекта 8 исходит из конкретных условий эксплуатации устройства на объекте и эмпирических результатов достижения наилучших показателей в этих условиях.
Таким образом, повышение эффективности электромагнитной обработки воды в предлагаемом устройстве достигается за счет создания вихревого регулируемого по значению и частоте (по закону случайной функции) электромагнитного поля, воздействующего на объект (воду) поперечно или поперечно-продольно (по винтовой поверхности) посредством многополюсного трансформатора 5 тока. Это отличает его от выбранных аналогов и прототипа, позволяя обеспечить достижение положительного эффекта.
Работа электронного коммутатора 4 (только для пояснения). По сигналам генератора 10 синхронизации производится тактирование регистра 14 параллельного сдвига, образующего с элементом 15 ИЛИ-НЕ схему кольцевого распределителя импульсов. В результате, на его разрядных выводах потактно и последовательно формируются цифровые импульсные сигналы, которыми переключаются (открываются) переключатели 16-1, 16-3, …, 16-n тока, позволяя прохождению электрических сигналов частотного диапазона ΔF с выхода БГС 1 на коммутируемые индуктивные элементы 6-1, 6-2, …, 6-n многополюсного трансформатора 5 тока в каждый момент времени.
Практическая реализация устройства (только для пояснения): в блоке генерации электрических колебаний 1 применен микроконтроллер 12 серии MSP-430; усилитель мощности 13 выполнен по известной схеме на ОУ К140УД7, транзисторах КТ814, КТ815 с RC-элементами; блок управления 2 представляет собой многоконтактный механический переключатель; блок индикации 3 выполнен по типовой схеме с использованием светодиодов АЛС324, К176ИД2; электронный коммутатор 4 выполнен на ИМС К555ИР1, К155ЛЕ2, К190КТ2; многополюсный трансформатор тока 5 реализован в виде многослойных катушек индуктивности (индуктивные элементы 6), размещенных на эластичном магнитопроводе 7 из физически мягкой ферроленты F96 фирмы Keratherm-Ferrite (Германия); технологический объект 8 - это трубопровод с носителем системы водоподготовки; магнитопроводящая поверхность 9 - это среда трубопровода или подстилающая поверхность в виде ферроленты F96; генератор синхронизации 10 реализован на ИМС 531ГГ1.
Других особенностей предлагаемое устройство не имеет и может быть промышленно реализовано.
Источники информации
1. Патент GB №2312635, C02F 1/48. Опубл. 05.11.1997.
2. Авторское свидетельство SU №865832, C02F 1/48. Опубл. 23.09.1981.
3. Патент RU №2089513, C02F 1/48. Опубл. 10.09.1997, прототип.