Устройство для магнитной обработки жидкости

Предложенное устройство - полезная модель (ПМ) относится к технике магнитной обработки жидких сред. Оно может быть использовано в теплоэнергетике для предотвращения накипеобразования, для магнитного обессоливания воды и ее активации, при обогащении полезных ископаемых и т.д.
Известно устройство для магнитной обработки жидкости (МОЖ), содержащее канал для протекания жидкости и магнитную систему, создающую внутри этого канала магнитное поле с вектором магнитной индукции, перпендикулярным скорости потока жидкости, что соответствует существенным признакам предлагаемого.
Кроме того, оно содержит последовательно установленные намагниченные аксиально кольцевые постоянные магниты, разделенные шайбами из магнитомягкого материала, образующие внутренний прямоточный гидропривод, и экран, охватывающий снаружи магнитную систему (см., например, а.с. СССР N 1134550, кл. С02F 1/48, от 1985 г.).
Недостатком известного устройства является снижение функциональной гибкости, в том числе, низкая эффективность обработки жидкости из-за того, что эффект МОЖ может снижаться из-за неоптимального значения скорости водного потока, в частности, оно неэффективно для скорости жидкости менее 0.1 м/с и более 10 м/с. Кроме того, несоответствие характеристик жидкой среды оптимальным значениям при заданных скорости потока и магнитной индукции также уменьшает противонакипный эффект. При этом снижается конкурентоспособность известных устройств.
L
Для пояснения причин указанного недостатка следует пояснить принцип работы устройства магнитной обработки воды (MOB). Согласно модели MOB при движении частицы, окруженной двойным электрическим слоем (ДЭС), в поперечном магнитном поле толщина ДЭС уменьшается на величину ΔХ за счет сил Лоренца [Кошоридзе СИ., Левин Ю.К. Механизм снижения накипи при магнитной обработке воды в теплоэнергетических устройствах // Теплоэнергетика. 2013. №3. С. 74-77]. Это уменьшает силу кулоновского отталкивания коллоидных частиц и вызывает их коагуляцию в водном объеме за счет преобладания сил молекулярного притяжения (Лондона). При этом отложение солей накипи на стенке уменьшается. Сила Лоренца F, действующая на заряд q, который со скоростью v движется в поле с магнитной индукцией В определяется произведением:
Причем в экспериментах установлен диапазон оптимальных значений параметров устройства MOB: v=(0.5-2) м/с при индукции В от 2.5 до 0.1 Тесла. Отсюда напрямую видна неработоспособность устройств MOB для стоячей воды v=0.
Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности является устройство для магнитной обработки жидкости, содержащее канал для протекания жидкости и магнитную систему, создающую внутри этого канала магнитное поле с вектором магнитной индукции, перпендикулярным скорости потока жидкости, что соответствует существенным признакам предлагаемого.
Кроме того, оно содержит ферромагнитную трубу и установленные на ее внешней поверхности постоянные кольцевые магниты, охваченные герметично ферромагнитным экраном и установленные так, что их главные поверхности с одноименными полюсами обращены к оси трубы [Patent US N 5122277, кл. С02F 1/48, кл. НКИ 210-695, опублик. 1992 г.). Поскольку постоянные магниты обращены к оси трубы одноименными полюсами, то в полости трубы создается аксиальное магнитное поле. Протекающая по трубе жидкость обрабатывается этим магнитным полем заданной напряженности.
Недостатком указанного устройства является снижение эффективности магнитной обработки жидкости по причинам, аналогичным вышеуказанному.
Соответственно, требуемый при реализации устройства технический результат состоит в повышении функциональной гибкости, эффективности магнитной обработки жидкости и простоты технической реализации за счет расширения диапазона скоростей потока обрабатываемой жидкости и использования дополнительных регулирующих параметров - частоты и амплитуды колебаний микрообъемов жидкой среды в приложенном акустическом поле.
С целью устранения недостатков прототипа предлагается устройство для магнитной обработки жидкости, содержащее канал для протекания жидкости и магнитную систему, создающую внутри этого канала магнитное поле с вектором магнитной индукции, перпендикулярным скорости потока жидкости, что соответствует существенным признакам известного устройства. При этом введена акустическая система, создающая внутри этого канала акустическое поле, в котором вектор локальной скорости колебаний жидкости направлен перпендикулярно вектору индукции магнитного поля, формируемого магнитной системой.
Кроме того, акустическая система выполнена в виде стержня, расположенного в канале для протекания жидкости параллельно вектору индукции магнитного поля, излучающего акустическую энергию в радиальном направлении.
Кроме того, акустическая система выполнена в виде гребенки, состоящей, по крайней мере, из двух, стержней, расположенных в канале для протекания жидкости параллельно вектору индукции магнитного поля, излучающих акустическую энергию в радиальном направлении, причем фазы колебаний соседних излучателей противоположны.
Кроме того, рабочую частоту акустической системы выбирают в диапазоне от 30 Гц до 60 кГц.
Кроме того, в качестве жидкости используют воду, питающую теплоагрегат.
Кроме того, в качестве жидкости используют жидкое углеводородное топливо.
Кроме того, стержень, расположенный в канале для протекания жидкости, излучает с использованием пьезоэффекта
Кроме того, стержень, расположенный в канале для протекания жидкости, излучает с использованием эффекта магнитострикции.
Поясним принцип работы предлагаемого устройства. Как показано ранее, при движении воды в магнитном поле силы Лоренца, деформируя двойной электрический слой (ДЭС) и уменьшая электрокинетический потенциал (ЭКП), стимулируют коагуляцию коллоидных частиц (КЧ). Пересыщение раствора по отношению к укрупненным КЧ вызывает лавинную кристаллизацию на них солей накипи, что снижает их поток на стенки трубы. Этим и обусловлен противонакипный эффект MOB. Вместе с тем, в поле звуковых волн частицы воды также движутся. Поэтому при наложении магнитного поля будут возникать силы Лоренца, способные вызвать противонакипный эффект, как и при традиционной реализации MOB.
0
0
Оценим реальные характеристики устройства MOB с ультразвуковым генератором. Как положено, магнитное поле перпендикулярно направлению распространения звуковой волны в воде. Будем считать, что в сосуде стоячая звуковая волна. Для частоты колебаний ν=20 кГц, при скорости звука в воде с=1480 м/с получаем длину волны λ=с/ν=74 мм. Если излучатель колеблется с частотой ν и амплитудой х (например, x=50 мкм), вблизи от излучателя каждый элемент водного массива будет совершать гармонические колебания (для простоты пространственное затухание амплитуды колебаний не учтем). Зависимость скорости колебательного движения от времени описывается законом
,
0
где амплитуда скорости V определена выражением
.
0
Параметр k меняется от 0 (узел стоячей волны) до 1 (пучность) (в нашем примере 0≤V≤6.2 м/с). (Соответственно, необходимая сила Лоренца формируется в большом диапазоне частот акустических колебаний и не ограничивается скоростью протекания водного потока.
Расчет показывает, что в реальном диапазоне параметров устройства MOB при достаточных значениях мощности ультразвуковой волны обработка воды ультразвуком в присутствии статического магнитного поля обладает существенным противонакипным эффектом. Действительно, при начальном значении электрокинетического потенциала (ЭКП) коллоидных частиц 0.1-50.3 мВ полученное смещение ЭКП составляет (15-50)%. С учетом экспоненциальной зависимости эффективности MOB от ЭКП можно ожидать снижения накипи в десятки раз при соответствующих параметрах установок MOB. Как уже отмечалось, ультразвуковая волна обеспечивает противонакипный эффект самостоятельно - независимо от скорости водного потока, т.е. в диапазонах скоростей водного потока 0<v<0.1 v/c и 10<v, чем расширяется диапазон эффективной работы устройства MOB. По существу, противонакипный эффект традиционной MOB дополняется противонакипным эффектом ультразвука, что особенно заметно в случае стоячей воды, когда традиционные устройства MOB неработоспособны. При этом имеется возможность дополнительной настройки устройства за счет изменения характеристик акустического поля - частоты и амплитуды волны.
Далее покажем, что именно благодаря существенным отличиям предлагаемой установки обеспечивается требуемый технический результат.
То, что устройство содержит канал для протекания жидкости и магнитную систему, создающую внутри этого канала магнитное поле с вектором магнитной индукции, перпендикулярным скорости потока жидкости, при этом введена акустическая система, создающая внутри этого канала акустическое поле, в котором вектор локальной скорости колебаний жидкости направлен перпендикулярно вектору индукции магнитного поля, формируемого магнитной системой, обеспечивает движение микрообъемов жидкой среды, даже при скорости водного потока v=0. Поэтому даже в этом случае реализуется противонакипный эффект MOB - возникает сила Лоренца, стимулируется коагуляция частиц в объеме жидкости, чем снижается накипь на стенках теплоагрегатов. При этом также обеспечивается регулировка процесса омагничивания изменением характеристик акустического поля - частоты и амплитуды волны, что повышает функциональную гибкость устройства не только за счет расширения диапазона скоростей потока жидкости, но и за счет расширения характеристик самой жидкой среды (степени пересыщения, вязкости, электропроводности). Следует учесть, что настройка параметров устройств МОЖ в известных устройствах обеспечивалась изменением скорости потока и изменением вектора индукции магнитного поля, что сложнее в реализации и не всегда возможно.
То, что акустическая система выполнена в виде стержня, расположенного в канале для протекания жидкости параллельно вектору индукции магнитного поля, излучающего акустическую энергию в радиальном направлении, также обеспечивает движение микрообъемов жидкой среды в направлении, перпендикулярном вектору индукции магнитного поля, в том числе, при расширении характеристик самой жидкой среды. Соответственно, реализуется противонакипный эффект MOB в широком диапазоне скорости потока жидкости, с возможностью дополнительной регулировки и простыми техническими средствами, что подтверждает достижение требуемого технического результата в предлагаемом.
То, что акустическая система выполнена в виде гребенки, состоящей, по крайней мере, из двух, стержней, расположенных в канале для протекания жидкости параллельно вектору индукции магнитного поля, излучающих акустическую энергию в радиальном направлении, причем фазы колебаний соседних излучателей противоположны, также обеспечивает движение микрообъемов жидкой среды в направлении, перпендикулярном вектору индукции магнитного поля. При этом необходимая мощность ультразвука распределяется на нескольких излучателях, что упрощает техническую реализацию устройства MOB и обеспечивает требуемый технический результат в предлагаемом.
То, что рабочую частоту акустической системы выбирают в диапазоне от 30 Гц до 100 кГц, обеспечивает возможность адаптации устройства MOB к реальной геометрии омагничиваемой части канала для протекания жидкости устройства MOB и обеспечивает требуемый технический результат в предлагаемом.
То, что в качестве жидкости используют воду, питающую теплоагрегат, обеспечивает повышение эффективности MOB в широком диапазоне расхода и значительно повышает КПД термоустановок и бойлеров.
То, что в качестве жидкости используют жидкое углеводородное топливо, расширяет арсенал функциональных возможностей устройства МОЖ и позволяет проводить процесс омагничивания в замкнутом сосуде.
То, что стержень, расположенный в канале для протекания жидкости, излучает с использованием пьезоэффекта, упрощает техническую реализацию устройств МОЖ и повышает их конкурентоспособность.
То, что стержень, расположенный в канале для протекания жидкости, излучает с использованием эффекта магнитострикции, упрощает техническую реализацию устройств МОЖ и повышает их конкурентоспособность.
Таким образом, показано, что требуемый технический результат, действительно, достигается за счет существенных отличий предлагаемой установки.
Проведенные эксперименты показали реализуемость предлагаемой полезной модели.