УСТРОЙСТВО ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ И УДАЛЕНИЯ СОЛЕВЫХ ОТЛОЖЕНИЙ

Полезная модель относится к средствам защиты от накипеобразования внутренних поверхностей металлических и неметаллических труб, преимущественно, теплообменников и емкостей, контактирующих с водами и водными средами, с помощью электромагнитного поля.
Известно устройство для предотвращения накипеобразования внутренних поверхностей металлических и неметаллических труб, включающее трубчатый корпус с резьбовыми патрубками на торцах и магнитной системой на постоянных прямоугольных магнитах, закрепленных в стенках полого цилиндра, установленного в корпусе устройства коаксиально между торцами патрубков (RU 2010010).
Известно магнитное устройство для предотвращения накипеобразования, включающее корпус-трубопровод с входным и выходным патрубками, внутри или с внешней стороны которого установлено несколько пар постоянных магнитов или катушек электромагнитов, причем пары магнитов расположены друг от друга на расстояниях, величины которых являются членами геометрической прогрессии, а магниты размещены по длине корпуса с чередованием полюсов (SU 1212969).
Недостатком указанных устройств является низкая эффективность процесса коагуляции и степени противонакипной обработки, т.к. обработку воды производят магнитными полями, образованными постоянными магнитами, обращенными друг к другу разноименными полюсами, и при этом не учитываются свойства внутренней поверхности трубопровода, подсоединенного к выходному патрубку устройства.
Известно устройство защиты от накипеобразования внутренних поверхностей труб магнитным полем, содержащее корпус-трубопровод с патрубками на торцах и закрепленную на его оси магнитную систему, установленную внутри кожуха и представляющую собой последовательность установленных вдоль длины корпуса-трубопровода постоянных магнитов, находящихся на расстоянии друг от друга, отличающееся тем, что постоянные магниты магнитной системы обращены друг к другу одноименными полюсами, образуя магнитные пары, причем количество магнитных пар должно быть не менее двух. При этом постоянные магниты установлены с одной внешней стороны поверхности корпуса-трубопровода одноименными полюсами, причем количество магнитов должно быть не менее двух, постоянные магниты и магнитные пары установлены равномерно на внешней поверхности корпуса-трубопровода по винтовой линии (RU 84370)
Известен способ магнитной обработки жидкостей, включающий пропускание жидкости через магнитотрон, отличающийся тем, что через магнитотрон пропускают 100% потребного количества жидкости, а магнитной обработке в переменном во времени и градиентном в пространстве магнитном поле подвергают 20-30% всей жидкости с индукцией 20-80 мТл, возбуждаемом переменным током при частоте 25-100 Гц, при этом процесс смешивания с необработанным потоком жидкости происходит одновременно (RU 2118614).
Известно устройство защиты от накипеобразования, содержащее магнитную систему, электрод, электрически соединенный с генератором высокочастотных разнополярных колебаний, диэлектрический патрубок, отличающееся тем, что в него дополнительно введены токопроводящий корпус для прохода воды, магнитопровод так, что магнитопровод расположен аксиально в токопроводящем корпусе и является частью магнитной системы электромагнита, а диэлектрический патрубок, аксиально расположенный в корпусе, примыкает к магнитопроводу со стороны подвода обрабатываемой воды, электрод коаксиально посажен на диэлектрический патрубок, токопроводящий корпус электрически соединен с генератором высокочастотных разнополярных колебаний, причем колебания генератора имеют прямоугольную форму (RU 2174959, прототип)
Недостатком известных устройств является низкая эффективность, т.е. не полное удаление отложений, и большая длительность процесса противонакипной обработки.
Технической задачей полезной модели является создание эффективного устройства предупреждения и удаления солевых отложений (накипи), а также расширение арсенала устройств предупреждения и удаления солевых отложений.
Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи состоит в увеличении эффективности, т.е. обеспечении практически полного устранения образования и удаления отложений всего спектра солей, и увеличении быстродействия устройства, достигаемых за счет создания импульсов электромагнитного поля в диапазоне от 100 Гц до 1 МГц, приводящих к стимулированию развития дефектов в кристаллах солевых отложений.
Сущность полезной модели заключается в том, что устройство предотвращения и удаления солевых отложений в трубопроводе содержит блок питания, блок управления, транзистор, замкнутый ферритовый контур, а также индуктивно-емкостный резонансный контур, включающий обмотку и группу включенных параллельно друг другу и с обмотке конденсаторов, при этом управляющие выходы блока управления подключены к обмоткам управляемых электронных ключей, включенных последовательно конденсаторам, и к затвору транзистора, исток которого соединен с минусом источника питания, а сток - с упомянутой обмоткой, охватывающей ферритовый контур, выполненный с возможностью формирования импульсов электромагнитного поля и установки вокруг заполненного перекачиваемой жидкостью обрабатываемого трубопровода из проводящего материала..
Предпочтительно каждый из конденсаторов, за исключением одного, включен в цепь через управляемый электронный ключ, ферритовый контур выполнен из четного числа соединенных между собой пластин, блок управления выполнен в виде микропроцессора, значения емкостей конденсаторов соотносятся между собой через величину 0,382, причем блок управления выполнен с программным обеспечением для формирования последовательности импульсов, в которой начальная частота ряда равна 1 МГц, а каждая последующая частота связана с предыдущей через соотношение «золотого сечения», равное 1,6188.
На чертеже изображена принципиальная блок-схема устройства «Эхостроб» предупреждения и удаления солевых отложений.
Устройство предупреждения и удаления солевых отложений содержит блок 1 управления, транзистор 2, замкнутый ферритовый контур 3 и индуктивно-емкостный резонансный контур L-C, включающий обмотку 4 с постоянной индуктивностью L и группу включенных параллельно друг другу и обмотке 4 конденсаторов 5.
Блок 1 управления выполнен, предпочтительно, в виде микропроцессора с программным обеспечением для формирования последовательности импульсов, в которой каждая последующая частота связана с предыдущей через соотношение «золотого сечения», равное 1,618.
1
i
N
1
0
0
2
0
2
1
3
2
n+1
1
2
2
n-1
Значения емкости C,…C,…C конденсаторов 5 выполнены в соотношении, соответствующем C=1/L*f , где f - начальная частота ряда, в общем случае равная 1 МГц. Таким образом, емкость С=1/L*(1,618f), откуда С=0,382 C, С=0,382 С, C=0,382 Сn либо Сn=(0,382)*C.
0
n
Таким образом, в том случае, когда значение f=1 МГц, а каждая последующая частота импульсов (числовое значение) f связана с предыдущей через выбранное соотношение, равное 1,618, числовые значения емкостей конденсаторов 5 соотносятся между собой через безразмерную величину 0,382.
n
n-1
n-1
n
2
2
В общем случае, при любой конкретной индуктивности L обмотки 4, числовые значения емкостей конденсаторов 5 выполняются в соотношении, соответствующем последовательности числовых значений частот импульсов f и образуют числовой ряд Cn=1/L*f . Учитывая, что L=const, ряд значений емкостей конденсаторов 5 может быть представлен в виде: Cn=С(f/f).
2
N
Управляющие выходы блока 1 управления подключены к обмоткам (затворам) управляемых электронных ключей 6, включенных стоком последовательно к каждому, кроме первого, конденсаторам 5 (С,…C) и истоком к общему проводу контура. Все конденсаторы 5 подключены другим выводом к обмотке 4 контура, туда же подключено положительное напряжение от блока 8 питания. Сток транзистора 2 подключен к общему проводу контура, а исток - к отрицательному напряжению блока 8 питания. На затвор транзистора 2 подается управляющее напряжение от блока 1 управления, который формирует импульсы тока в обмотке 4, охватывающей замкнутый ферритовый контур 3, выполненный с возможностью формирования импульсов электромагнитного поля вокруг заполненного перекачиваемой жидкостью обрабатываемого трубопровода 7.
Один из конденсаторов 5 включен в цепь непосредственно, а каждый из остальных - через управляемые электронные ключи 6. Ферритовый контур 3 выполнен из четного числа соединенных между собой пластин (не изображены). Четное количество ферритных пластин (элементов) необходимо для того, чтобы ферритовый контур 3 был состыкован в одной плоскости. В случае нечетного количества элементов, один из них будет располагаться под неким углом к плоскости кольца контура 8, что нежелательно по условиям технологии сборки (ферриты - очень хрупкие материалы).
Таким образом, устройство предупреждения и удаления солевых отложений представляет из себя индуктивно-емкостный контур (4, 5), формирующий импульсы электромагнитного поля (ИЭМП) на ферритовый замкнутый контур 3, который является передатчиком ИЭМП на проводящие элементы (стальной трубопровод 7) внутри контура 3.
Устройство предупреждения и удаления солевых отложений работает следующим образом.
При включении блока 8 питания, микропроцессор блока 1 управления выдает сигналы на транзистор 2 и один или несколько управляемых электронных ключей 6, и определяет тем самым частоту выдаваемого импульса магнитного поля, в соответствии с программно-заданными временными интервалами.
1
2
N
Микропроцессор блока 1 формирует управляющие сигналы на транзистор 2 и, в заданной последовательности на соответствующий управляемый электронный ключ 6. Включение управляемого электронного ключа 6 приводит к созданию электромагнитного контура L-C в составе обмотки 4, конденсатора 5 (C) и одного из остальных конденсаторов 5 (С…С). В этом контуре транзистор 2 формирует затухающий импульсный сигнал. В результате протекания тока по электромагнитному контуру L-C в ферритовом контуре 3 формируются импульсы электромагнитного поля в диапазоне от 100 Гц до 1 МГц. Предпочтительно, значения частот составляют следующий ряд: 100 Гц, 170 Гц, 280 Гц, 450 Гц, 730 Гц, 1180 Гц, 1920 Гц, 3100 Гц, 5 кГц, 8 кГц, 13 кГц, 21 кГц, 34 кГц, 55 кГц, 90 кГц, 146 кГц, 236 кГц, 382 кГц, 618 кГц, 1 МГц, в котором каждая последующая частота связана с предыдущей через соотношение «золотого сечения», равное 1,618.
Как правило, продолжительность четных (по количеству) импульсов в 1,618 раз больше продолжительности нечетных импульсов.
Импульсы электромагнитного поля воздействуют на проводящие материалы трубопровода 7, расположенные внутри контура 3 (стальная труба, вода) и на кристаллы отложений.
В любом кристалле, в том числе, и в солевых кристаллических отложениях накипи, имеются дефекты, т.е. нарушения, кристаллической решетки. Дефекты могут быть точечными, поверхностными и объемными. В слою очередь точечные дефекты разделяются на собственные и примесные. К собственным дефектам относятся вакансии (узел решетки кристалла, в котором отсутствует атом), междоузельные атомы (атом смешенный из своего положения в кристалле, его место занимает либо вакансия, либо примесный ион), френкелевские пары (вакансия+междоузельный атом), а также комплексы упомянутых дефектов. Во всех минералах существуют линейно ориентированные скопления точечных дефектов. ИЭМП переводит междоузельный атом в возбужденное состояние. Возбуждение импульсным электромагнитным полем молекулярной связи приводит к повышению химической активности междоузельного иона Другими словами, часть возбужденных воздействием ИЭМП атомов переходит из междоузельного положения в положение близлежащих вакантных узлов решетки.
Снижение исходного содержания вакансий в кристалле соли из-за занятия их позиций возбужденными ионами, находившимися до воздействия ИЭМП в междоузлиях, приводит к возникновению в кристалле напряжений упругого сжатия. Далее этот возбужденный атом приводит к разрыву химической связи, получая дополнительную энергию за счет тепловых колебаний решетки. Это в свою очередь неизбежно приводит к постепенному разрушению кристаллов солей и, следовательно, отложений.
Программа выдачи сигналов - частота и периоды между сигналами реализуются программируемым микропроцессором блока 1 и группой параллельно соединенных конденсаторов 5 различной емкости.
Меняя с помощью включения-выключения электронных ключей 6 емкость контура задается порядок следования частот ИЭМП. В частных случаях устройство может работать с минимальным рядом частот (не менее 3-х значений частот, связанных межу собой соотношением «золотого сечения»).
Воздействие импульсов электромагнитного поля на обрабатываемый трубопровод 7 выражается в развитии локальных дефектов на поверхности кристаллов отложений (окислов металлов, карбидов, углекислые соли кальция и магния, кремнекислые соединения кальция, магния, железа, алюминия) и, как следствие, их разрушении.
Экспериментально получены данные, говорящие о наибольшей эффективности удаления солей с поверхности труб в случае приведенного соотношения частот и емкостей конденсаторов 5. Однако это не исключает иных случаев реализации устройства.
В ряде проведенных экспериментов лучший результат был достигнут при следующих условиях:
2
3
2
3
Участок трубопровода 7 длиной 2 м диметром 108 мм с внутренними отложениями гидратированного оксида железа (III) FеО·nНО и метагидроксида железа (FeO(OH), Fе(ОН)) по внутренней поверхности трубопровода 7 толщиной от 3 до 17 мм.
н
Ферритовый контур 3 индуктивностью 52 мкГн собран из шести магаитомягких термостабильных ферритов для слабых магнитных полей - ферритовых пластин с относительной магнитной проницаемостью µ=1000 и рабочим диапазоном частот до 1 МГц. Блок 1 управления содержал микропроцессор PIC18F67J60. В качестве транзистора 2 использован полевой транзистор IRFI4510, а также использованы конденсаторы 5, значения емкостей которых, указанные в таблице, соотносятся между собой через величину 0,382, При этом блок 1 управления осуществлял формирование последовательности импульсов, в которой начальная частота ряда равна 1 МГц, а каждая последующая частота связана с предыдущей через соотношение «золотого сечения», равное 1,618, согласно таблице.
Таблица
Емкость
Частота, кГц
С1
500 пФ
1000
С2
800 пФ
618
С3
2 нФ
382
С4
4 нФ
236
С5
9 нФ
146
С6
25 нФ
90
С7
64 нФ
55
С8
200 нФ
34
С9
425 нФ
21
C10
1 мкФ
13
С11
3 мкФ
8
С12
7 мкФ
5
С13
20 мкФ
3,1
С14
50 мкФ
1,92
С15
135 мкФ
1,18
С16
350 мкФ
0,73
С17
1000 мкФ
0,45
С18
2300 мкФ
0,28
С19
6800 мкФ
0,17
С20
22000 мкФ
0,1
В результате обработки солей отложения в течение 1000 часов, максимальная толщина солей внутри трубопровода 7 составила 5 мм.
Таким образом, обеспечено практически полное устранение образования и удаление отложений всего спектра солей, и увеличение быстродействия устройства, достигаемые за счет создания импульсов электромагнитного поля, приводящих к стимулированию развития дефектов в кристаллах солевых отложений.