СПОСОБ И СИСТЕМА ПОДАЧИ РАДИОЧАСТОТНОГО СИГНАЛА В СИСТЕМУ, СОДЕРЖАЩУЮ ТЕКУЧУЮ СРЕДУ
METHOD AND SYSTEM FOR SUPPLY OF RADIO-FREQUENCY SIGNAL IN THE SYSTEM CONTAINING FLUID MEDIUM

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение в целом относится к способу и системе для обработки системы, содержащей текучую среду, с целью замедления образования и скопления накипи.
Накипь - это отложение минеральных солей на внутренних поверхностях содержащего текучую среду оборудования, например, трубопроводов. В частности, в образовании накипи активно участвуют кальций и магний, которые, как правило, присутствуют в воде.
Накипь образуется, когда ионы минералов, присутствующие в текучей среде, достигают состояния, при котором они переходят из жидкой фазы в твердую. Для того, чтобы начался процесс перехода в твердую фазу, присутствующим в текучей среде ионам нужна энергия. Для образования твердого вещества на таких поверхностях, как внутренние поверхности труб, энергии нужно меньше. Соответственно, именно на поверхностях труб и другого оборудования, с которыми текучая среда контактирует, ионы минералов наиболее активно переходят из жидкой фазы в твердую. Формирующиеся твердые вещества липнут к поверхностям и образуют накипь.
Образующаяся в трубе накипь начинает менять характер потока текучей среды. Сужая проход для текучей среды, идущей по трубе, накипь заставляет насосы и другое промышленное оборудование тратить на перенос того же самого объема текучей среды больше энергии. Кроме того, накипь способствует повышению давления в трубе, что может привести к утечкам и разрывам в трубе. Поскольку тепло обеспечивает энергию, необходимую для перехода ионов в твердую фазу, обрастание накипью поверхностей в нагревающемся оборудовании, например паровых котлах и теплообменниках, представляет собой особенно серьезную проблему. Образование накипи в подобном оборудовании препятствует теплопереносу, увеличивает расход топлива и даже вызывает местный перегрев и выход оборудования из строя. Обрастание накипью может, кроме того, иметь ряд косвенных последствий, например создание очагов размножения бактерий в системе и взаимодействие с мылом, препятствующее чистке системы, содержащей текучую среду.
В данной области техники известен ряд способов того, как противостоять образованию и скоплению накипи. Например, в системы, в которых присутствуют текучие среды, добавляют химические растворы. Однако применение химических растворов нежелательно, так как, во-первых, их требуется постоянно пополнять и, во-вторых, они загрязняют текучую среду. В связи с этим был разработан ряд физических способов обработки воды. Один из таких способов заключается в том, что в содержащую текучую среду систему помещают электроды. Однако электроды по мере эрозии теряют эффективность и требуют замены. Еще один способ состоит в том, что для непосредственного контакта с текучей средой используют магниты. К сожалению, магниты притягивают к себе мусор, который, естественно, загрязняет трубу.
Еще один способ физической обработки воды подразумевает создание либо снаружи от трубопроводной системы, либо внутри нее электромагнитного поля. Электромагнитный сигнал не дает образовываться и скапливаться накипи, сообщая ионам энергию, заставляющую их переходить в твердую фазу, не выходя из текучей среды. Благодаря этому ионы прилипают друг к другу, а не к внутренним поверхностям труб или иного оборудования. Ионы продолжают течь по системе, не скапливаясь в ней.
Данный способ обработки раскрыт, в частности, в патенте США US No 5,514,283. В рамках данного способа электромагнитное поле различным образом создается в системах, содержащих текучую среду. В одном из способов используют первичную обмотку, изготовленную из электропровода, к которой подключают источник электроэнергии, и вторичную обмотку, также изготовленную из электропровода. Первичная и вторичная обмотка изолированы друг от друга ферритовым сердечником. Вторичная обмотка оснащена двумя клеммами, контактирующими с трубой в контактных зонах, разнесенных по оси трубы. Проводник идет вдоль трубы между двумя контактными зонами, создавая низковольтный сильноточный сигнал между клеммами. Сильный ток создает электромагнитное поле, распространяющееся по трубе от контактных зон в обоих направлениях. В рамках другого способа ферритовый сердечник наматывают коаксиально либо по спирали вокруг трубы таким образом, чтобы он проходил через первичную обмотку из электропровода. В рамках этого способа электромагнитное поле создается за счет того, что в качестве вторичной обмотки служит сама труба и/или текучая среда в ней.
Многие способы физической обработки воды с использованием электромагнитного поля подразумевают, что его волны свободно распространяются по системе с текучей средой. Однако добиться распространения волн электромагнитного поля на большие расстояния в системах с текучей средой известными способами и с помощью известных устройств часто оказывается сложным или вовсе невозможным. Например, при некоторых конфигурациях трубопроводов систем, содержащих текучую среду, образуются скрытые возвратные каналы, превращающие электромагнитное поле в контур, в результате чего значительные участки системы остаются необработанными.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В рамках одного из вариантов осуществления настоящего изобретения предлагаются способ и устройство для защиты систем, содержащих текучие среды, от отложения накипи. В данном варианте происходит подача радиочастотного сигнала в систему с целью распространения волн электромагнитного сигнала по всей системе. В соответствии с настоящим изобретением, функциональное подключение одной клеммы вторичной обмотки трансформатора к системе с текучей средой и другой клеммы к заземлению не дает электромагнитному сигнала перейти в контур. Настоящее изобретение, таким образом, предлагает усовершенствованные способ и устройство защиты системы, в которой присутствует текучая среда, от образования и скопления накипи.
В рамках другого варианта осуществления настоящего изобретения радиочастотный сигнал подают в несколько независимых систем, содержащих текучую среду и использующих общее средство обработки. В рамках существующих известных способов пришлось бы на каждую систему ставить отдельное средство обработки. Однако осуществление настоящего изобретения позволяет устранить данный недостаток. При функциональном подключении одного конца вторичной обмотки трансформатора к заземлению второй конец вторичной обмотки можно разветвить на несколько клемм. Каждую из этих клемм можно функционально подключить к индивидуальной нагрузке, представляющей собой независимую содержащую текучую среду систему. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения, таким образом, предложены способ и устройство защиты ряда систем, содержащих текучую среду, от образования и скопления накипи, с помощью одного общего средства обработки.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения во избежание размножения бактерий радиочастотный сигнал подают в систему, содержащую текучую среду. Несмотря на отсутствие каких-либо теоретических ограничений рамками какого бы то ни было технического описания считается, что импульсный радиочастотный сигнал препятствует размножению бактерий, иммобилизируя существующие бактерии в системе с текучей средой. Бактерии самостоятельно принимают полярность, соответствующую полярности окружающей их среды. Таким образом, если у окружающей бактерии среды меняется полярность, они также соответствующим образом меняют свою полярность. При подаче импульсного радиочастотного сигнала в систему полярность окружающей бактерии среды переходит в постоянное состояние потока. Считается, что бактерии не успевают за изменениями полярности окружающей их среды и потому иммобилизируются. Действительность и объем настоящего изобретения, однако, не ограничиваются каким-либо конкретным техническим описанием.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Преимущества и особенности одного или более вариантов осуществления изобретения станут более понятными из нижеследующих примеров, приведенных со ссылками на чертежи, на которых:
Фиг.1 - электронная схема настоящего изобретения в одном из вариантов его осуществления с функциональным подключением к содержащей текучую среду трубе;
Фиг.2 - электронная схема настоящего изобретения в еще одном из вариантов его осуществления с функциональным подключением к ряду содержащих текучую среду труб;
Фиг.3 - электронная схема системы выработки и подачи импульсного радиочастотного сигнала в систему, содержащую текучую среду, в рамках одного из вариантов осуществления настоящего изобретения;
Фиг.4 - электронная схема системы выработки и подачи импульсного радиочастотного сигнала в систему, содержащую текучую среду, в рамках еще одного из вариантов осуществления настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Образование и отложение накипи представляют собой проблему для многих отраслей промышленности. Вариант осуществления настоящего изобретения обеспечивает безопасный и эффективный способ обработки текучих сред и легко применим к любой содержащей текучую среду системе. Настоящее изобретение может оказаться особенно полезным при обработке, например, градирен, оборудования нефтяных и газовых скважин, оборудования геотермических скважин, а также котлов и любых других теплообменников и трубопроводов, по которым проходят текучие среды, вызывающие образование накипи. Кроме того, один из вариантов осуществления настоящего изобретения можно использовать для предотвращения размножения бактерий в системах с текучими средами, например в бассейнах и спа, трубопроводах пивоварнях, градирнях, молочных цехах, системах охлаждения соленой водой и любых других системах, в которых имеет место биологическое обрастание.
В соответствии с настоящим изобретением в систему, в которой присутствует текучая среда, подают импульсный радиочастотный сигнал. В одном из вариантов осуществления изобретения при подаче импульсного радиочастотного сигнала в систему происходит распространение волн электромагнитного поля по всей системе. Соответственно, данный вариант обеспечивает физическую обработку воды без химических реагентов, электродов, магнитов и других средств для удаления накипи, обычно применяемых внутри систем с текучими средами. Кроме того, в соответствии с данным вариантом осуществления изобретения потребляется мало энергии и практически отсутствует необходимость в текущем техническом обслуживании.
Для распространения волн электромагнитного поля по всей системе желательно, чтобы сигнал обладал характеристиками осциллирующей волны, затухающей по экспоненте. Частоту сигнала выбирают с таким расчетом, чтобы добиться распространения волн электромагнитного поля, нужного для конкретной системы, содержащей текучую среду. Предпочтительно, чтобы частота сигнала была в диапазоне от 100 до 200 кГц. Еще лучше, чтобы частота сигнала находилась в диапазоне от 120 до 180 кГц.
Сигнал состоит из вспышек или, иначе говоря, импульсов, и желательно, чтобы они повторялись с переменными, псевдослучайными интервалами. Предпочтительно, чтобы частота каждого из импульсов находилась в диапазоне от 5 до 20 кГц. Соответственно, в предпочтительном варианте осуществления изобретения импульсы повторяются с интервалами от 5000 до 20000 импульсов в секунду.
Один из вариантов осуществления изобретения представлен на Фиг.1. В этом варианте в первичные обмотки 3 трансформатора 1 подают импульсный радиочастотный сигнал. Трансформатор 1 передает сигнал на вторичные обмотки 5. Затем сигнал подается в систему 7, содержащую текучую среду, по соединению между системой и первой клеммой вторичной обмотки трансформатора 9. Поскольку система, содержащая текучую среду, действует в качестве нагрузки, клемму 9 можно назвать нагрузочной клеммой. Для того чтобы обеспечить низкий импеданс и уравнять нагрузку, создаваемую системой 7, вторую клемму вторичной обмотки 11 функционально подключают к заземлению. Соответственно, клемму 11 можно назвать клеммой заземления.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения трансформатор 1 представляет собой тороидальный трансформатор 1 с кольцевым ферритовым сердечником 17. Трансформатор 1 данного типа особенно эффективен на высоких частотах. Желательно, чтобы по крайней мере вторичная обмотка 5 тороидального трансформатора 1 была сформирована путем намотки определенного количества витков электропровода вокруг сердечника 17, имеющего ферритовое кольцо. С помощью провода, используемого в качестве вторичной обмотки 5 трансформатора, средство обработки в предпочтительном варианте осуществления изобретения несложно функционально подключить к системе, содержащей текучую среду. Если вторичная обмотка 5 формируется описанным выше образом, то желательно нагрузочную клемму 9 и клемму 11 заземления расположить на противоположных концах провода, формирующего вторичную обмотку 5. В качестве альтернативы можно использовать стандартный трансформатор. В этом случае к одному ответвлению вторичной обмотки 5 по электропроводу можно подключить нагрузочный терминал 9, а к другому ответвлению вторичной обмотки также по электропроводу можно подключить клемму 11 заземления. Для получения сигнала с нужными характеристиками можно выбрать определенное количество витков вторичной обмотки 5 между двумя ответвлениями.
У первичной обмотки 3 и вторичной обмотки 5 трансформатора количество витков может быть разным. Как правило, большого количества витков первичной обмотки и вторичной обмотки трансформатора не требуется. Выбрав определенное соотношение витков, можно либо увеличить, либо уменьшить напряжение, применяемое для обработки содержащей текучую среду системы 7.
В одном из вариантов осуществления изобретения нагрузочная клемма 9 вторичной обмотки 5 подключена к трубе 13, по которой проходит текучая среда. Желательно, чтобы труба 13 была изготовлена из электропроводного материала, так как это дает возможность функционально подключить нагрузочную клемму 9 к системе 7 через контакт между клеммой и трубой. Впрочем, в других вариантах осуществления изобретения труба 13 может быть изготовлена и не из электропроводного материала. Существует несколько способов функционального подключения нагрузочной клеммы 9 к системе 7 в тех случаях, когда материал трубы 13 не является электропроводным. Например, электропроводный материал можно вставить в одну из секций трубы 13 и обеспечить контакт между нагрузочной клеммой 9 и данной электропроводной вставкой. В качестве альтернативы, электропроводный материал можно прикрепить по окружности зажимами к одной из секций трубы 13, чтобы обеспечить контакт между нагрузочной клеммой 9 и электропроводным материалом и благодаря этому подачу сигнала за счет электрической емкости.
Клемму заземления 11 функционально подключают к заземлению, чтобы создать канал для возврата тока из одной половины вторичной обмотки 5 в другую. Нагрузочную клемму 9 функционально подключают к системе 7, которая, в свою очередь, подключена к заземлению. Соответственно, чтобы не создавать конкретных точек для возвратного канала и не ограничивать потенциального распространения сигнала, клемму заземления 11 функционально подключают к заземлению через конденсатор 15.
В соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения для обработки нескольких систем, содержащих текучую среду, используют общее средство обработки. Этот вариант представлен на Фиг.2. Электропровод на одном конце 19 вторичной обмотки 5 трансформатора разветвляют на несколько нагрузочных клемм 9. Каждую из нагрузочных клемм 9 функционально подключают к независимой содержащей текучую среду системе 7, чтобы обеспечить необходимое качество обработки.
Радиочастотный сигнал можно вырабатывать и подавать на первичные обмотки трансформатора разными способами. В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения микроконтроллер, оснащенный цифроаналоговым преобразователем, синтезирует сигнал в виде импульсной волны с требуемыми характеристиками. Затем сигнал, если это необходимо, усиливается и подается на первичную обмотку трансформатора. В систему, содержащую текучую среду, сигнал подается так, как это описывается выше.
Пример данного варианта осуществления изобретения представлен на Фиг.3. Микроконтроллер, оснащенный цифроаналоговым преобразователем (ЦАП) 19, вырабатывает сигнал 21 напряжением три вольта, в виде осциллирующей волны с нужной частотой и псевдослучайными импульсами. Сигнал 21 сдвигается, усиливается до 12 вольт предварительным усилителем 23 и подается на усилитель 25 мощности, увеличивающий силу тока сигнала до такого уровня, чтобы он мог возбудить высокочастотный трансформатор 1. Получающийся в результате сигнал 27 подается на первичные обмотки 3 высокочастотного трансформатора 1. Сигнал подается в содержащую текучую среду систему 7 так, как это изложено выше.
Еще в одном предпочтительном варианте осуществления изобретения микроконтроллер вырабатывает короткие сильноточные импульсы. По мере необходимости, короткие сильноточные импульсы, перед тем как включиться в последовательную резонансную индуктивно-емкостную цепь, сдвигаются и усиливаются. Индуктивно-емкостная цепь состоит из высоковольтного конденсатора и первичных обмоток трансформатора, действующих в качестве катушки индуктивности. При зарядке импульсами индуктивно-емкостная цепь вырабатывает осциллирующие волны, имеющие определенную частоту. Подобрав значения индуктивности (L) и емкости (С), пользователь может предварительно выбрать частоту, оптимальную для обработки конкретной системы, содержащей текучую среду. Сигнал подается в систему, содержащую текучую среду, так, как это изложено выше.
Пример данного варианта осуществления изобретения представлен на Фиг.4. Микроконтроллер 29 вырабатывает короткие сильноточные импульсы 31 напряжением три вольта, на частоте с псевдослучайным диапазоном от 5 до 20 кГц. Напряжение импульсов 31 увеличивается до 12 вольт, и ток усиливается процессором 33 управления цепью. Усиливаемые импульсы 35 подаются на базу биполярного транзистора 37, где их включают в последовательную резонансную индуктивно-емкостную цепь 39, состоящую из конденсатора 41 и первичных обмоток 3 высокочастотного трансформатора 1. Значения индуктивности (L) и емкости (С) выбирают с таким расчетом, чтобы вырабатывалась осциллирующая волна с частотой от 100 до 200 кГц. Соответственно, сигнал 43 в виде осциллирующей волны с частотой от 100 до 200 кГц, псевдослучайно пульсирующий в диапазоне от 5 до 20 кГц, подается на первичные обмотки 3 трансформатора 1. Сигнал подается в содержащую текучую среду систему 7 так, как это изложено выше.
Описываемые здесь варианты осуществления изобретения представляют собой сочетание уникального и новаторского способа и устройства подачи радиочастотного сигнала в содержащую текучую среду систему и обладают рядом преимуществ перед известными из уровня техники решениями. Хотя на схемах и в тексте показаны и описываются определенные конкретные конструкции, используемые для осуществления данного изобретения, для специалистов в данной области техники очевидно, что в изобретение и в компоновку его составных частей можно вносить различные изменения, не выходя за рамки сущности изобретения, и что данное изобретение не сводится к конкретным показанным и описываемым здесь формам и ограничивается лишь пунктами Формулы изобретения.