УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕЗРЕАГЕНТНОЙ ОБРАБОТКИ ВОДНЫХ СИСТЕМ

Полезная модель относится к области водоподготовки, а именно к безреагентной обработке водных систем, в частности, к обработке водных растворов путем их физической активации и может быть использована при подготовке воды в теплоэнергетике - на тепловых электростанциях, в котельных, системах теплоснабжения и в других технологиях, требующих предотвращения или разрушения накипеобразования на поверхностях аппаратов и их защиты от коррозии, а также, например, в строительстве в качестве воды затворения при производстве бетонов, в сельском хозяйстве для полива растений и в качестве питья для животных.
Решение задачи предотвращения накипеобразования и защиты от коррозии при подготовке водных систем для различных отраслей промышленности и сельского хозяйства, в частности, для технологического оборудования энергоустановок, выпарных и опреснительных установок, систем теплоснабжения и пр., было и остается весьма актуальным.
В настоящее время все большее предпочтение отдается обработке водных систем физическими способами, например, магнитной обработкой, электроактивацией, обработкой ультразвуком и пр.
Известно устройство для магнитной обработки водных систем, содержащее корпус из диамагнитного материала с патрубками подвода и отвода обрабатываемой водной системы, внутренний магнитопровод, выполненный в виде полого цилиндра, наружные магнитопроводы, выполненные в виде отдельных секций, каждая из которых состоит из Ш-образного сердечника броневого типа, имеющего наружные и центральный сердечники, между которыми расположены шунтирующие вкладыши из материала с большим сопротивлением магнитному полю, полюсные наконечники и намагничивающие катушки, секции расположены в один или более ярусов по высоте корпуса, каждый из которых содержит, по меньшей мере, две секции. Обрабатываемую водную систему через патрубок подвода направляют в рабочий зазор устройства. Устройство позволяет получить одновременно противонакипный и противокоррозионный эффект /Свидетельство РФ на полезную модель №19382, C02F 1/48, 2001 г./.
Основной недостаток известного устройства заключается в невысоком противокоррозионном эффекте.
Известно устройство для магнитной обработки водных систем, содержащее корпус из диамагнитного материала с патрубками подвода и отвода обрабатываемой водной системы, полый внутренний магнитопровод, расположенный в корпусе с образованием рабочего зазора, и наружные магнитопроводы, выполненные в виде отдельных секций, расположенных в один или более ярусов по высоте корпуса, каждый из которых содержит, по меньшей мере, две секции, при этом, внутренний магнитопровод снабжен патрубками подвода и отвода водной системы и перегородками из ферромагнитного материала, перпендикулярными образующей корпуса, с образованием прохода лабиринтного типа, а рабочий зазор через патрубок отвода обрабатываемой водной системы соединен с патрубком подвода водной системы внутреннего магнитопровода. Секция наружного магнитопровода может состоять из Ш-образного сердечника броневого типа, имеющего наружные и центральный сердечники, полюсные наконечники и намагничивающие катушки и снабженного шунтирующими вкладышами из материала с большим сопротивлением магнитному полю, расположенными между наружными и центральным сердечниками или, по меньшей мере, из двух постоянных магнитов, разделенных диамагнитными вкладышами и обращенных к корпусу разноименными полюсами, и узла регулирования напряженности магнитного поля в рабочем зазоре устройства. /Патент РФ №2223235, C02F 1/48, 2004 г./.
Недостатками этого устройства являются большие габариты, сложность аппаратурного исполнения, а также ограниченные функциональные возможности из-за небольшого диапазона изменения температуры активированной магнитным полем водной системы, в котором сохраняется ее активность.
Известна также обработка водных систем электроактивацией с использованием анодов, подвергающихся электрохимическому растворению. В процессе электроактивации в водной системе образуются центры кристаллизации, благодаря которым выделение накипеобразующих солей происходит не на теплопередающей поверхности, а в объеме жидкости. Роль таких центров кристаллизации выполняют ионы металлов, выделяющиеся из электродов при электролизе и имеющие электронное сходство с ионами солей жесткости. Кроме того, накипеобразующие соли оседают на катоде, что приводит к снижению жесткости водной системы.
Известно устройство для электроактивации водных систем, содержащее цилиндрический вертикальный корпус, зажатый между верхней и нижней крышками, внутри которого концентрически расположены графитовые цилиндрические катод и анод с укрепленной между ними ионоприницаемой мембраной, приспособленной для ввода и вывода обрабатываемой жидкой системы, а также клеммы для подачи на электроды постоянного тока, при этом катод выполнен в виде графитового полого цилиндра сплошного сечения по длине, в нижних частях электродов выполнены каналы, сообщающиеся с приэлектродными полостями, для ввода обрабатываемой жидкой системы в нижней крышке укреплены патрубки, для вывода анолита, католита и газов в верхней крышке укреплены патрубки, а в верхних частях электродов выполнены каналы, сообщающиеся с приэлектродными полостями, через нижнюю крышку пропущены ввернутые в электроды тоководы с клеммами, для соединения металлических фланцев, надетых на крышки, с расположенными между ними корпусом и электродами служат металлические стяжки. /Свидетельство РФ на полезную модель №2810, С02F 1/46, 1996 г./.
Недостатками этого устройства являются сложность аппаратурного исполнения, в том числе выполнение электродов с каналами в верхней и нижней частях, а также то, что оба электрода выполнены графитовыми, что приводит к более частой их замене из-за расхода материала электродов в процессе эксплуатации.
Известен аппарат для электрохимической обработки воды, содержащий корпус с верхней и нижней крышками, узлами подвода обрабатываемой водной системы, отвода обработанной водной системы, шлама и газа и расположенные внутри корпуса электроды - по меньшей мере, один катод, и, по меньшей мере, один растворимый анод, при этом катод выполнен из стали, поверхность которой подвергнута термической активации, в корпусе расположены перегородки, разделяющие его внутреннее пространство на зону обработки, зону входа и зону выхода обрабатываемой воды /см. патент РФ на полезную модель №37085, C02F 1/46, 2004 г./.
Недостатками известного аппарата являются громоздкость, высокая металлоемкость, сложность и дороговизна аппаратурного исполнения, а также необходимость отключения аппарата из технологического процесса на длительное время для очистки электродов и/или их замены при зарастании межэлектродного пространства отложенными на электродах солями жесткости.
Наиболее близким по технической сущности к предложенной является устройство для электроактивации водных систем, содержащее корпус с верхней и нижней крышками, узлами подвода обрабатываемой водной системы, отвода обработанной водной системы, шлама и газа и расположенные внутри корпуса электроды - по меньшей мере, один катод, и, по меньшей мере, один растворимый анод, корпус снабжен платформами для установки электродов, по меньшей мере, один катод, и, по меньшей мере, один анод выполнены в форме полых цилиндров, расположенных коаксиально, при этом, анод выполнен сборным по высоте из одного и более элементов. Устройство может быть снабжено узлом ультразвуковой обработки, при этом, анод выполнен из углеродсодержащего материала, а катод - из железосодержащего материала. /Патент на полезную модель РФ №43542, C02F 1/46, 2005 г./.
Недостатками устройства являются большие габариты и высокая материалоемкость, а также ограниченные функциональные возможности.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в создании надежного, недорогого компактного и энергосберегающего устройства для безреагентной обработки водных систем от различных примесей.
Технический результат от использования предложенного устройства заключается в повышении степени противонакипной и противокоррозионной обработки водных систем, увеличении срока работы устройства при одновременном сокращении его материалоемкости и размеров.
Поставленная задача решается, а технический эффект достигается за счет того, что в устройстве для безреагентной обработки водных систем, содержащем корпус с верхней и нижней крышками, узлами подвода обрабатываемой водной системы, отвода обработанной водной системы, шлама и газа и расположенные коаксиально внутри корпуса и выполненные в форме полых цилиндров электроды - катод и анод, корпус снаружи снабжен двумя симметрично расположенными П-образными диамагнитными проставками, на которых установлены наружные магнитопроводы, с образованием двух рабочих зазоров для магнитной обработки водной системы, соединенных в нижней части с полостью корпуса, а в верхней - между собой и с узлом отвода обработанной водной системы, а узел подвода обрабатываемой водной системы расположен в верхней крышке.
А также за счет того, что устройство может быть снабжено узлом ультразвуковой обработки, наружный магнитопровод может быть выполнен из Ш-образного сердечника броневого типа, имеющего наружные и центральный сердечники, полюсные наконечники и намагничивающие катушки с шунтирующими вкладышами из материала с большим сопротивлением магнитному полю, расположенными между наружными и центральным сердечниками.
Предпочтительно, что анод выполнен из алюминия, а катод - из меди или стали марки Ст3.
На чертеже схематически изображен вертикальный разрез предложенного устройства.
Устройство для безреагентной обработки водных систем содержит корпус 1, выполненный из стали, с верхней 2 и нижней крышками 3, узлами подвода обрабатываемой водной системы 4, отвода обработанной водной системы 5, отвода шлама 6 и отвода газа 7. Узел подвода обрабатываемой водной системы 4 расположен в верхней крышке 2 корпуса 1, внутри которого коаксиально расположены полые цилиндрические электроды: анод 8 и катод 9 с образованием рабочего зазора 10 между корпусом 1 и катодом 9, межэлектродного зазора 11 и подэлектродной камеры 12. Снаружи корпус 1 снабжен двумя симметрично расположенными П-образными диэлектрическими проставками 13 с образованием двух рабочих зазоров для магнитной обработки водных систем 14, соединенных посредством отверстий 15, выполненных в нижней части корпуса 1 с подэлектродной камерой 12. На проставках 13 установлены наружные магнитопроводы 16, выполненные из Ш-образного сердечника броневого типа, имеющего наружные и центральный сердечники, полюсные наконечники и намагничивающие катушки. На верхней крышке 2 корпуса 1 установлен источник ультразвуковых колебаний 17. Электроды 8 и 9 соединены с источником питания (на чертеже не показан) посредством соединительных клемм 18.
Устройство работает следующим образом.
Подвергаемую обработке водную систему через узел подвода обрабатываемой водной системы 4 подают внутрь корпуса 1 через верхнюю крышку 2, на электроды 8 и 9, коаксиально установленные в корпусе 1, с использованием клемм 18 подают электрический ток от источника электропитания. Обрабатываемая водная система попадает в рабочий зазор 10 между корпусом 1 и катодом 9 и проходя сверху вниз в пристеночной зоне рабочего зазора 10 подвергается воздействию магнитного поля
наружных магнитопроводов 16. В нижней части корпуса 1 орабатываемый поток поворачивается и попадает в межэлектродный зазор 11 между катодом 9 и анодом 8, где, поднимаясь снизу вверх, подвергается электроактивации. Происходит образование центров кристаллизации, благодаря которым в обрабатываемой системе происходит выделение микрокристаллов накипеобразующих солей в объеме жидкости, что впоследствии предотвращает их осаждение на теплопередающих поверхностях. Кроме того, в процессе электроактивации происходит выделение пузырьков растворенных в водной системе агрессивных газов, которые отводят через узел отвода газа 7. Пройдя электроактивацию обрабатываемая водная система попадает в полый анод 8 и опускаясь сверху вниз попадает в подэлектродную камеру 12, откуда через отверстия 15 попадает в рабочие зазоры для магнитной обработки водных систем 14, образованные диэлектрическими П-образными проставками 13 и стальным корпусом 1. В рабочих зазорах 14 обрабатываемая водная система в процессе подъема снизу вверх подвергается регулируемому воздействию магнитного поля. Прошедшую обработку водную систему через узел отвода обработанной водной системы 5 выводят из корпуса 1 и направляют потребителю: в теплоагрегат, сеть и т.п., обеспечивая их безопасную работу. Образующийся в процессе обработки осадок выводят через узел отвода шлама 6.
Организация такого направления потока обрабатываемой водной системы обеспечивает попеременное воздействие на нее магнитного и электрических полей, что приводит к повышению степени активации обрабатываемой водной системы.
Выполнение электродов в форме полых цилиндров, расположенных коаксиально, позволяет увеличить площадь и время контакта водной системы с электродами, что приводит к повышению качества процесса электроактивации при одновременном снижении материалоемкости и размеров устройства.
Для улучшения дегазации водной системы, что приводит к снижению коррозии внутренних поверхностей оборудования и трубопроводов, и повышения противонакипного эффекта устройство для безреагентной обработки водных систем может быть снабжено узлом ультразвуковой обработки 17.
Использование в одном устройстве сочетания электроактивации и ультразвуковой обработки позволяет повысить степень удаления углекислоты из подвергаемой обработке водной системы и увеличить количество центров
кристаллизации, что приводит к повышению степени противокоррозионной и противонакипной обработки.
В основе работы предложенного устройства лежит известный факт, заключающийся в том, что при наличии в водной системе достаточно большого количества зародышей твердой фазы, выполняющих роль центров кристаллизации, соли жесткости при нагревании воды или совсем не выделяются из нее, поскольку рост кристаллов приостанавливается на стадии микрокристаллизации, или выделяются в виде мелкодисперсного шлама, не оседающего на стенках теплоагрегатов. Роль таких центров кристаллизации в предложенном устройстве выполняют не только кристаллы, образующиеся в магнитном поле, но и ионы металлов, образующиеся в зоне электроактивации, имеющие сродство с ионами солей жесткости. Если под воздействием магнитного поля этот процесс в большей степени носит полиэкстремальный характер, то под воздействием электрического поля достигается стабильный управляемый результат, не зависящий от состава обрабатываемой водной системы.
Вторичными эффектами являются уменьшение коэффициента вязкости водной системы, уменьшение коэффициента поверхностного натяжения и интенсификация процессов коагуляции взвешенных частиц, что также приводит к облегчению удаления из водной системы шлама, содержащего соли накипи.
3
Значение насыщенности зарядом прошедшей между электродами обрабатываемой водной системы, необходимое и достаточное для получения противонакипного эффекта, зависит от полярности и состава электродов. Например, для алюминиевого анода и медного катода его минимальное значение составляет 8,2 Ккал/м.
Таким образом, предложено недорогое устройство для безреагентной обработки водных систем, использование которого позволяет повысить степень противонакипной и противокоррозионной обработки, при одновременном сокращении материалоемкости и размеров устройства.