СПОСОБ МАГНИТНОЙ ОБРАБОТКИ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК F16L58/00 C02F1/48 

Изобретение относится к магнитной обработке текучей среды, например водных систем, топливных смесей и т. п., и может быть использовано в промышленности при очистке воды и воздуха от загрязнений, для уменьшения образования накипи и других инкрустаций, при флотационном обогащении полезных ископаемых и других технологических процессах, а также в сельском хозяйстве и медицине.

Как известно, при воздействии магнитным полем на текучие среды происходит изменение их физических и физико-химических свойств.

Длительное время магнитная обработка, например, водных систем сводилась в основном к борьбе с накипеобразованием (патент Бельгии N 460560, 1945).

Однако открытое в 1967 г. явление химической поляризации ядер атомов стимулировало проведение исследований механизма воздействия магнитных полей на некоторые жидкофазные реакции. При этом было установлено, что в ряде случаев магнитное поле влияет на переориентацию магнитных моментов в радикальных парах (электронные спины) и через этот промежуточный механизм на химические реакции. Кроме того, изменяются кинетика процесса и соотношение продуктов, получаемых в результате реакции, это имеет большое практическое значение, например, в магнитобиологии, реакциях радикальной полимеризации при получении пластмасс и др. Классен В.И. Омагничивание водных систем, Изд-во "Химия", 1978, с. 90).

Эффективность магнитной обработки текучих сред зависит от ряда причин: напряженности магнитного поля и его градиента, гидродинамики потока, производительности установки, характеристики текучей среды и т. п.

Основу метода составляют магнито-гидравлические эффекты, возникающие в водно-дисперсных системах, в результате воздействия движущихся заряженных частиц (твердых примесей и пузырьков газа) с магнитным полем. Первичными физико-химическими эффектами магнитной обработки является коагуляция твердых частиц и коалесценция пузырьков газов. Они вызывают вторичные эффекты: кристаллизацию находящихся в перенасыщенном состоянии солей в результате образования центров зародышей кристаллов, в первую очередь солей жесткости, дегазацию воды в результате коалесценции пузырьков газа и ускорения их всплытия.

Аппараты для магнитной обработки текучих сред представляют собой магнитные устройства проточного типа, в которых поток жидкости или газа пересекает магнитное поле.

Существующие аппараты различаются по способу создания магнитного поля: на базе постоянных магнитов или электромагнитов по производительности (например, 0,03 - 36000 м³/ч), по максимальной величине напряженности магнитного поля (от 4,0 • 10³ до 4,8 • 10⁵ A/м), оптимальной скорости потока в рабочем зазоре (от 1,0 до 10 м/с), количеству полюсов, форме канала и др.

В ряде аппаратов основное внимание уделяется созданию максимального градиента напряженности магнитного поля в рабочем зазоре и совершенствованию гидродинамики потока жидкости в канале.

В некоторых аппаратах проходное сечение канала выполняют в виде сужающейся и расширяющейся полостей, например, в устройстве, содержащем магнитную систему на постоянных магнитах, образующих рабочий канал, который сообщается с входной сужающейся и выходной расширяющейся полостями. Причем проходное сечение полостей изменяется скачкообразно (в 3 - 5 раз) по отношению к проходному сечению рабочего канала, что приводит к комбинированному воздействию на поток жидкости магнитного поля и резких колебаний давления. Однако скачкообразное изменение проходного сечения приводит к возникновению турбулентности потока, что, как известно, снижает эффективность магнитного воздействия (заявка N 93006230/26, БИ N 9, 1995).

Частично этот недостаток устраняется в аппарате "Cepi" типа АД 1/2, представляющего собой канал, стенки которого образованы магнитами, создающими поперечное поле. Канал от входного патрубка постепенно сужается на конус, далее имеет цилиндрический участок и резко сужается в центре канала в зоне наивысшей напряженности магнитного поля (до 320 кА/м). Расширяющаяся часть канала имеет зеркальное отображение сужающейся части.

Таким образом, в узком канале поток жидкости подвергается комбинированному воздействию резкого перепада давления и также резкому увеличению напряженности магнитного поля (патент СССР N 288683, 1966).

В некоторых устройствах рабочий канал выполняется криволинейным с однократным (авт. св. N 1130536, 1984) или многократным пересечением магнитных силовых линий (авт. св. N 1047844, 1983). В последнем устройстве канал выполнен в форме плоской спирали, а магниты установлены с возможностью возвратно-поступательного перемещения в направлении, перпендикулярном плоскости спирали.

Наиболее близким к изобретению является промежуточный аппарат для магнитной обработки жидкости, включающий корпус с магнитной системой, выполненной в виде двух сообщающихся полостей, обращенных одна к другой сужающимися частями. Магниты установлены в сужающейся и расширяющейся частях на противоположных стенках аппарата так, что их продольные оси перпендикулярны оси аппарата одноименными полюсами (авт. св. СССР N 1216154, кл. C 02 F 1/48, B 03 C 1/00, БИ N 9, 1984).

В известном устройстве скорость движущегося потока и напряженность магнитного поля увеличиваются по мере движения потока по входному конусообразному каналу и достигают наибольшего значения в середине аппарата в самой узкой его части, т. е. в месте самого высокого градиента напряженности магнитного поля и уменьшаются по мере движения потока к выходному патрубку.

В приведенном устройстве обеспечивается очень высокий градиент напряженности магнитного поля в зоне перехода сужающейся части в расширяющуюся при наивысшей скорости потока жидкости на коротком отрезке канала (1 - 2 мм) за счет резкого изменения направления магнитных силовых линий на противоположное. Однако гидродинамика потока, обусловленная формой канала, не позволяет получить наивысшую оптимальную скорость потока в диапазоне промежуточного значения числа Рейнольдса за счет возникновения турбулентности в зонах соединения конусных полостей между собой и с патрубками.

Задача изобретения - повышение эффективности воздействия магнитным полем на текучую среду, например, для более эффективного предотвращения образования накипи из водной среды при ее магнитной обработке, для повышения эффективности сгорания топливных смесей и снижения содержания CO и CH в выхлопных газах и т. п.

Задача решается тем, что регулируют скорость прохождения по каналу в магнитном поле текучей среды, сначала плавно (постепенно) увеличивая положительное ускорение потока и уменьшая его до нуля, а затем увеличивая отрицательное ускорение потока и уменьшая его до нуля на выходе из канала.

Увеличение и уменьшение ускорения потока в канале сопровождается последовательным увеличением и уменьшением напряженности магнитного поля вдоль оси канала.

Причем в зоне перехода от положительного ускорения потока к отрицательному, т.е. в зоне максимальной скорости потока, которая составляет 4 - 6 м/с, напряженность магнитного потока достигает максимума, а направление магнитных силовых линий изменяется на противоположное на участке не более 0,5 - 2,0 мм.

Еще одной особенностью предлагаемого способа является повторяющееся, циклическое изменение ускорения потока жидкости в канале с однократным прохождением потока текучей среды через зону максимальной напряженности магнитного поля на участке изменения направления магнитных силовых линий на противоположное в каждом цикле с количеством циклов 2 - 5.

Такое изменение скорости потока на отдельных участках канала в условиях изменяющейся напряженности магнитного поля позволяет, во-первых, сформировать в канале бестурбулентный плавно ускоряемый и замедляемый поток текучей среды, который бы соответствовал промежуточному значению числа Рейнольдса, и, во-вторых, повысить до оптимальной скорость потока в зоне максимальной напряженности магнитного поля.

Основным отличием устройства, содержащего корпус с входным и выходным патрубками, каналом в форме сужающейся и расширяющейся по ходу потока полостей и магнитной системой, установленной в корпусе с возможностью изменения направления пересекающих канал магнитных силовых линий на противоположное в зоне перехода сужающейся полости в расширяющуюся, согласно изобретению является выполнение продольного профиля сужающейся и расширяющейся полостей канала криволинейными. Продольный профиль сужающейся полости по направлению сужения образован сопряженными между собой выпуклым и вогнутым со стороны оси канала участками.

Профиль выпуклого участка сопряжен с профилем входного патрубка, а профиль вогнутого участка - с соответствующим профилем расширяющейся полости. Профиль расширяющейся полости имеет зеркальное отображение профиля сужающейся полости.

Профиль выпуклого участка сужающейся полости образован кривой, касательные к которой в каждой последующей точке по направлению сужения полости имеют возрастающие углы наклона к оси канала от параллельного к оси канала положения в точке сопряжения с профилем входного патрубка до наклонного в точке сопряжения с профилем вогнутого участка.

Профиль вогнутого участка образован кривой, касательные к которой в каждой последующей точке по направлению сужения полости имеют уменьшающиеся углы наклона к оси канала (от наклонного к оси канала положения в точке сопряжения с профилем выпуклого участка до параллельного к оси канала положения касательной в точке сопряжения с соответствующим профилем расширяющейся полости).

В частном случае профили выпуклого и вогнутого участков сужающейся полости канала могут быть образованы сопряженными между собой дугами воображаемых окружностей, центры которых разнесены по разные стороны образуемого ими профиля.

В оптимальном варианте радиус кривизны выпуклого участка по меньшей мере втрое меньше радиуса кривизны вогнутого участка, а длина проекции выпуклого участка профиля канала на его продольную ось по меньшей мере втрое меньше длины проекции вогнутого участка.

На фиг. 1 представлено устройство для реализации способа, продольное сечение; на фиг. 2 - схема формообразования криволинейного профиля сужающейся полости канала; на фиг. 3а,б,в - вариант устройства со спиральным каналом; на фиг. 4 - эпюра напряженности магнитного поля; на фиг. 5 - эпюра скорости потока.

Устройство для магнитной обработки текучей среды (фиг. 1) состоит из корпуса 1 с каналом 2, входным 3 и выходным 4 патрубками.

Канал 2 содержит сужающуюся 5 и расширяющуюся 6 по ходу потока полости. Продольный профиль сужающейся полости 5 имеет криволинейную форму и образован выпуклой 7 и вогнутой 8 со стороны канала участками.

На фиг. 2 показано, что касательная к профилю выпуклой 7 части в точке сопряжения его с профилем входного патрубка 3 параллельна продольной оси канала 2. Касательные к каждой последующей по направлению сужения полости точки имеют возрастающие с осью канала углы наклона α₁,α₂ и α₃.
Выпуклый участок 7 заканчивается в точке сопряжения с вогнутым участком 8, а касательная к ней занимает наклонное положение.

Касательные же к профилю вогнутой части 8 в каждой последующей точке по направлению сужения полости имеют уменьшающиеся углы наклона с продольной осью канала 2 β₁,β₂ и β₃. В точке сопряжения профиля вогнутой части 8 сужающейся полости 5 с профилем расширяющейся полости 6 касательная к ней вновь параллельна продольной оси канала 2.

Профиль расширяющейся полости 6 имеет зеркальное отображение сужающейся полости 5.

В корпусе 1 на противоположных внешних стенках сужающейся 5 и расширяющейся 6 полостей канала 2 установлены магниты 9 и 10, продольные оси которых перпендикулярны оси канала 2 и ориентированы в ее сторону одноименными полюсами. Такое расположение магнитов позволяет ориентировать пересекающие канал 2 магнитные силовые линии (показаны стрелками) так, чтобы при пересечении сужающейся 5 и расширяющейся 6 полостей они имели противоположное направление относительно оси канала 2. Магниты 9, 10 и магнитопроводы 11, 12 образуют магнитные элементы и формируют магнитный поток.

Для увеличения кратности пересечения текучей средой магнитных силовых линий и, соответственно, повышения эффективности магнитной обработки текучей среды устройство может быть выполнено в виде спиралеобразного канала, например, в виде спирали Архимеда 13 (фиг. 3, а, б). Дисковые магниты 14 имеют две пары разноименных полюсов, обращенных друг к другу разноименными полюсами, расположены по разные стороны плоскостей спирали трубопровода 13. Трубопровод выполнен эластичным и крестообразно пересечен профильными перемычками 15 с тем, чтобы плавно уменьшить проходное сечение трубопровода 13 сразу по двум взаимно перпендикулярным диаметрам (фиг. 3 а, б, в).

Таким образом, смена полярности в устройстве происходит при максимальной скорости потока. Кроме того, благодаря движению жидкости по криволинейной траектории ее плотность, которая определяется из соотношения , где V - скорость потока, R - радиус криволинейной траектории, а q - ускорение силы тяжести, увеличивается от периферии к центру. Изменение давления в обрабатываемой жидкости за счет уменьшения радиуса кривизны трубопровода увеличивает эффективность магнитной обработки.

Принцип работы устройства для магнитной обработки текучей среды согласно изобретению заключается в следующем (фиг. 1).

Через входной патрубок 3 обрабатываемая жидкость подается под давлением в сужающуюся полость 5 канала 2. Скорость потока возрастает до зоны перехода сужающейся полости 5 в расширяющуюся полость 6, причем на первом по ходу движения потока выпуклом участке 7 скорость потока растет с увеличивающимся ускорением, а на втором, вогнутом участке 8, скорость потока возрастает с уменьшающимся ускорением. В зоне сопряжения сужающейся полости 5 с расширяющейся 6 скорость потока постоянно имеет максимальное значение. В расширяющейся полости 6 скорость потока плавно уменьшается до выходного патрубка 4, где скорость потока опять постоянна, причем на вогнутом участке скорость потока уменьшается с увеличивающимся отрицательным ускорением, а на выпуклом - с уменьшающимся отрицательным ускорением.

Таким образом, происходит плавное бестурбулентное наращивание скорости потока до максимального значения в зоне наивысшей напряженности магнитного поля и последующее плавное уменьшение скорости потока.

Параллельно с увеличением и уменьшением скорости потока в канале 2 увеличивается и уменьшается по направлению движения потока напряженность магнитного поля.

Благодаря расположению магнитов 9 и 10 на противоположных стенках сужающейся 5 и расширяющейся 6 полостей и ориентации к оси канала 2 одноименными полюсами в зоне перехода сужающейся полости 5 и расширяющуюся 6 направление магнитных силовых линий резко изменяется на противоположное с образованием на узком участке высокого градиента напряженности магнитного поля.

На фиг. 4 показана эпюра распределения напряженности магнитного поля вдоль оси канала 2. Напряженность поля от нуля у входного патрубка 3 плавно растет и достигает максимального значения в середине канала, т. е. в самой узкой его части, в которой за счет резкого изменения (на участке 0,5 - 2,0 мм) направления магнитных силовых линий на противоположное возникает высокий градиент напряженности магнитного поля.

Тем самым достигается оптимальное сочетание высокого градиента напряженности магнитного поля при максимальной скорости потока обрабатываемой жидкости, что позволяет повысить эффективность магнитного воздействия на проходящий поток жидкости.

Плавное изменение скорости жидкости в канале 2, обеспечиваемое криволинейной формой канала, наряду с плавным изменением напряженности поля также оказывает влияние на общую эффективность магнитной обработки (фиг. 5).

Влияние изменения приращения скорости потока, связанное с криволинейной формой сужающейся 5 и расширяющейся 6 полостей канала 2 (фиг. 1) на эффективность магнитной обработки жидкости определялось по времени ее фильтрации через слой кварцевого песка.

При разном соотношении радиусов кривизны выпуклого 7 и вогнутого 8 участков учитывалось время фильтрации прошедших через устройство 500 мл воды через слой кварцевого песка крупностью 0,2 - 0,4 мм и высотой слоя 100 мм.

Отношение радиуса кривизны вогнутого участка R и радиуса кривизны выпуклого участка (r) показано в таблице.

Таким образом, при оптимальном соотношении радиусов кривизны вогнутого 8 и выпуклого 7 участков, равном четырем, время фильтрации было наименьшим, что указывает на более эффективное воздействие магнитного поля.

Аналогично контролировалось соотношение длины проекций вогнутого 8 и выпуклого 7 участков на ось канала 2. Оптимальное значение этого соотношения несколько больше четырех. Такое соотношение кривизны участков канала 2 и длины их проекций на ось канала обеспечивает плавное увеличение скорости потока в зоне максимальной напряженности магнитного поля до оптимального значения, равного 4 - 6 м/с, что соответствует примерно среднему промежуточному значению числа Райнольдса. Уменьшение скорости потока ниже 4 м/с и увеличение ее свыше 6 м/с снижает эффективность магнитного воздействия на обрабатываемую среду.

Криволинейная форма канала как в прямоточном устройстве (фиг. 1), так и в устройстве со спиральным каналом (фиг. 3, а, б, в) может быть образована или магнитопроводами 11 и 12, как это показано на фиг. 1, или за счет отжима эластичного трубопровода 13 профильными элементами 15 (фиг. 3, а, б, в).

В зависимости от состава текучей среды, ее плотности, производительности устройства и т. п. форма профиля канала 2 (фиг. 1) или трубопровода 13 (фиг. 3 а, б) может иметь различную кривизну. Оптимальное соотношение сечения входного отверстия к сечению в центре канала (самом узком месте) прямоточного устройства, например, для московской воды составляет 4 : 1.

При циклическом изменении скорости потока и увеличении числа пар полюсов эффективность магнитного воздействия растет, однако при увеличении числа пар полюсов (циклов) более 5 эффективность магнитной обработки увеличивается незначительно.

Время пребывания жидкости в магнитных полях должно быть не менее 0,02 с. Обычно его применяют с трех-четырехкратным запасом (В.И.Миненко. Магнитная обработка водно-дисперсных систем. Киев: Техника, 1970, с. 51).

Пульсации давления в потоке жидкости вызывают временное перемещение растворов газов и флоктуации их концентраций. В процессе возникновения флоктуаций концентрации газов и их исчезновения молекулы газов с большой скоростью перемещаются в воде, нарушая ее структуру и ослабляя связи отдельных молекул с другими окружающими их молекулами. Система становится менее равновесной и, следовательно, более подвержена воздействию магнитных полей (Классен В.И. Омагничивание водных систем. М.: Химия, 1982, с. 131).

Предлагаемое устройство прошло испытание при магнитной обработке дизельного топлива.

Мощность дизеля при использовании топлива, прошедшего магнитную обработку в зависимости от состава смеси, увеличивается от 9 до 20%, а удельный расход топлива снижается соответственно от 6 до 40 г/вкт • ч. В то же время снизился на 13% суммарный выброс в атмосферу окислов азота.

Устройство используется для уменьшения образования накипи, отложений, очистки воды в промышленности. Устройство содержит корпус с входным и выходным патрубками, сужающийся и расширяющийся по ходу потока канал и магнитную систему, обеспечивающую изменение направления пересекающих магнитных силовых линий зону перехода сужение-расширение канала. Выпуклый профиль сужения канала переходит в вогнутый при сужении канала, а при расширении вогнутый профиль сопрягается с выпуклым. При протекании потока среды его ускорение уменьшается до нуля в зоне наибольшей напряженности магнитного поля. При этом происходит плавное бестурбулентное наращивание скорости потока в зоне наибольшей напряженности магнитного поля, что повышает эффективность магнитной обработки потока среды. 8 з. п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

1. Способ магнитной обработки текучей среды, например жидкости, путем воздействия магнитным полем на проходящий по каналу поток жидкости, включающий по меньшей мере однократное увеличение и уменьшение скорости потока в канале в зоне пересечения его магнитными силовыми линиями, а также по меньшей мере однократное увеличение и уменьшение по ходу потока жидкости напряженности магнитного поля с переменой направления пересекающих поток жидкости магнитных силовых линий на противоположное в зоне максимальной скорости протекания жидкости, отличающийся тем, что регулируют скорость течения жидкости в канале, плавно увеличивая положительное ускорение потока по отношению к его скорости на первом участке канала по ходу потока жидкости и уменьшая на втором участке положительное ускорение потока до нуля в зоне максимальной напряженности магнитного поля, а затем плавно увеличивая отрицательное ускорение потока на третьем участке канала и уменьшая его до нуля на четвертом участке канала. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость потока жидкости в зоне максимальной напряженности магнитного поля увеличивают до 4 - 6 м/с. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что изменение направления пересекающих поток жидкости магнитных силовых линий на противоположное осуществляют на участке от 0,5 до 2 мм. 4. Способ по пп.1 - 3, отличающийся тем, что осуществляют циклическое изменение ускорения потока жидкости в канале с однократным прохождением потока жидкости через зону изменения направления магнитных силовых линий на противоположное в цикле и с количеством циклов от 2 до 5. 5. Устройство для магнитной обработки текучей среды, включающее корпус с входным и выходным патрубками и каналом, выполненным в форме по меньшей мере одной пары сужающейся и расширяющейся по ходу потока полостей и магнитной системой, установленной в корпусе с возможностью изменения направления пересекающих канал магнитных силовых линий на противоположное в зоне перехода сужающейся полости канала в расширяющуюся, отличающееся тем, что продольные профили сужающейся и расширяющейся полостей выполнены криволинейными и сопряжены между собой и с соответствующими продольными профилями входного и выходного патрубков, профиль сужающейся полости по направлению сужения канала содержит сопряженные между собой выпуклый и вогнутый со стороны продольной оси канала участки, а продольный профиль расширяющейся полости имеет зеркальное отображение кривизны сужающейся полости. 6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что профиль выпуклого участка сужающейся полости образован кривой, касательные к которой в каждой последующей точке по направлению сужения полости имеют возрастающие углы наклона к оси канала от параллельного к оси канала положения в точке сопряжения с профилем входного патрубка до наклонного в точке сопряжения с профилем вогнутого участка, а профиль вогнутого участка образован кривой, касательные к которой в каждой последующей точке по направлению сужения полости имеют уменьшающиеся углы наклона к оси канала, от наклонного к оси канала положения в точке сопряжения с профилем выпуклого участка до параллельного в точке сопряжения с соответствующим профилем расширяющейся полости. 7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что кривая профиля выпуклого и вогнутого участков сужающейся полости канала образована сопряженными между собой дугами воображаемых окружностей, центры которых разнесены по разные стороны образуемого им профиля. 8. Устройство по пп.5 - 7, отличающееся тем, что радиус кривизны выпуклого участка профиля канала по меньшей мере втрое меньше радиуса кривизны вогнутого участка канала. 9. Устройство по пп.5 - 8, отличающееся тем, что длина проекции выпуклого участка профиля канала на его продольную ось по меньшей мере втрое меньше длины проекции вогнутого участка. 10. Устройство по пп.5 - 9, отличающееся тем, что канал в корпусе выполнен в виде нескольких пар сопряженных между собой сужающихся и расширяющихся полостей, в зоне сопряжения каждой из которых магнитное поле имеет наивысший градиент напряженности.