МАГНИТНЫЙ ИНЕРЦИОННО-ГРАВИТАЦИОННЫЙ ФИЛЬТРУЮЩИЙ ОСВЕТЛИТЕЛЬ Российский патент 2001 года по МПК C02F1/48 C02F103/02 

Изобретение касается очистки жидкостей от взвешенных частиц и коллоидных соединений инерционно-гравитационным осаждением с использованием магнитного воздействия на осаждаемые примеси и может быть использовано в системах отопления и водоснабжения.

Известен грязевик, предназначенный для очистки воды в системах теплоснабжения от взвешенных частиц грязи, песка и других примесей, состоящий из корпуса с коническим днищем, впускного и выпускного патрубков, на котором установлен сетчатый фильтрующий элемент [1].

Известен также инерционно-седиментационный шламоудалитель, выполненный в виде камеры с дном-ситом, впускного и выпускного патрубков, расположенных в верхней части камеры, в которой установлено устройство для очистки жидкости в виде перегородок, прикрепленных к крышке с внутренней стороны, установленных одна за другой, причем нижний край перегородок расположен выше дна-сита [2].

Недостатком известных устройств является низкая эффективность очистки воды от мелкодисперсных примесей и коллоидных частиц.

Наиболее близким по технической сущности является инерционно-седиментационный шламоудалитель согласно описанию патента [2], в котором на поверхности перегородок, вдоль которых протекает очищаемая вода, размещены плоские магнитные элементы, направленные одним из полюсов к ферромагнитной перегородке, а вторым полюсом к струе воды, причем направление магнитного поля с поверхности полюсного наконечника является перпендикулярным направлению потока жидкости.

К недостаткам данного устройства можно отнести необходимость часто снимать крышку шламоудалителя с перегородками для очистки магнитных элементов от осевших на них магнитовосприимчивых частиц взвешенных примесей либо проводить регенерацию путем промывки, что снижает производительность устройства. Кроме того, пошаговое размещение магнитных элементов на перегородке создает зоны с пониженными значениями индукции магнитного поля, что допускает проскок мелкодисперсных примесных магнитовосприимчивых частиц.

Целью настоящего изобретения является повышение производительности и эффективности процесса очистки за счет увеличения времени фильтроцикла, грязеемкости, сокращения затрат времени на промывку, увеличения магнитного воздействия на взвешенные примеси, обладающие магнитными свойствами, а также ускорение процесса коагуляции коллоидных примесей под воздействием высокоградиентного магнитного поля.

Поставленная цель достигается тем, что в заявляемом магнитном инерционно-гравитационном фильтрующем осветлителе, включающем корпус со съемной крышкой, функционально состоящий из камеры осаждения и шламосборника, разделенных решеткой, размещенные в камере осаждения перпендикулярно входящему потоку перегородки, основные постоянные магниты, установленные на перегородке, впускной и выпускной патрубки, расположенные в верхней части корпуса, патрубок отвода шлама, сетчатый фильтрующий элемент на выпускном патрубке, основные постоянные магниты набраны в виде вертикально чередующихся рядов противоположной полярности и размещены на поверхности перегородки, которая выполнена из ферромагнитного материала и расположена перед выпускным патрубком, в камере осаждения установлена дополнительная магнитная система с возможностью отвода ее за пределы корпуса без снятия крышки и разгерметизации корпуса, а сетчатый фильтрующий элемент выполнен объемным и многослойным. Дополнительная магнитная система выполнена в виде постоянных кольцевых магнитов из материала с большей на порядок магнитной энергией, чем у основных магнитов, причем кольцевые магниты расположены соосно друг с другом одноименными полюсами навстречу и разделены ферромагнитными концентраторами, толщина которых зависит от величины магнитной индукции кольцевых магнитов. Сетчатый фильтрующий элемент выполнен по меньшей мере из двух последовательно расположенных сеток с уменьшающейся по ходу фильтрования площадью окна ячейки. Кроме того, в зависимости от концентрации, фракционного состава, магнитных свойств примесей в очищаемой среде дополнительная магнитная система может быть установлена между впускным патрубком и первой по ходу движения очищаемой среды перегородкой, которая выполнена из ферромагнитного материала, либо установлена за первой по ходу движения очищаемой среды перегородкой, которая выполнена из немагнитного материала.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет выделить следующие основные отличительные признаки: 1) магнитный инерционно-гравитационный фильтрующий осветлитель снабжен дополнительной магнитной системой с возможностью отвода ее за пределы корпуса без снятия крышки и разгерметизации корпуса; 2) основные постоянные магниты набраны в виде вертикально чередующихся рядов противоположной полярности и размещены на поверхности перегородки, которая выполнена из ферромагнитного материала и расположена перед выпускным патрубком; 3) сетчатый фильтрующий элемент выполнен объемным и многослойным, состоящим по меньшей мере из двух последовательно расположенных сеток с уменьшающейся по ходу фильтрования площадью окна ячейки; 4) дополнительная магнитная система выполнена в виде постоянных кольцевых магнитов из материала с большей на порядок магнитной энергией, чем у основных магнитов.

Таким образом, можно сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "новизна".

Из области очистки сред с использованием магнитных полей известен ряд технических решений, элементы которых подобны использованным в заявляемом устройстве. Пакеты фильтрующих осветлительных пластин, размещенные в камере осаждения под воздействием магнитного поля известны в магнитном осадителе [3] . В магнитном осадителе частиц [4] пластинчатые фильтрующие осветлительные элементы сопряжены с магнитной системой. Однако следует отметить, что не известна неразрывная взаимосвязь и сочетание конструктивных элементов магнитного инерционно-гравитационного фильтрующего осветлителя, которая позволяет достигнуть положительного эффекта и решить поставленную цель изобретения, например, наличие двух намагничивающих систем, выполненных из магнитов с отличающейся на порядок магнитной энергией; установка дополнительной магнитной системы в зависимости от концентрации, фракционного состава, магнитных свойств примесей в очищаемой среде, либо между впускным патрубком и первой по ходу движения очищаемой среды перегородкой, которая выполнена из ферромагнитного материала, либо за первой по ходу движения очищаемой среды перегородкой, которая при этом выполнена из немагнитного материала.

Вышеизложенное, на наш взгляд, позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 показан общий вид магнитного инерционно-гравитационного фильтрующего осветлителя (вариант 1); на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - общий вид магнитного инерционно-гравитационного фильтрующего осветлителя (вариант 2); на фиг. 4 - сечение Б-Б на фиг. 3; на фиг. 5 - режим регенерации инерционно-гравитационного фильтрующего осветлителя (вариант 1); на фиг. 6 - дополнительная магнитная система.

Магнитный инерционно-гравитационный фильтрующий осветлитель состоит из корпуса 1 со съемной крышкой 2, функционально состоящего из камеры осаждения 3 и шламосборника 4, разделенных решеткой 5, размещенных в камере осаждения 3 перпендикулярно входящему потоку перегородок 6, впускного 7 и выпускного 8 патрубков, расположенных в верхней части корпуса 1, патрубка отвода шлама 9, объемного сетчатого фильтрующего элемента 10 на выпускном патрубке 8. Основные феррит-бариевые постоянные магниты 11 установлены на перегородке 6 из ферромагнитного материала перед выпускным патрубком и набраны в виде вертикально чередующихся рядов противоположной полярности. В камере осаждения 3 установлена дополнительная магнитная система 12 с возможностью отвода ее за пределы корпуса 1 без снятия крышки 2 и разгерметизации корпуса 1. Дополнительная магнитная система 12 (фиг. 6) выполнена в виде постоянных кольцевых редкоземельных магнитов 13 с большей на порядок магнитной энергией, чем у основных магнитов 11, причем кольцевые магниты 13 расположены соосно друг c другом одноименными полюсами навстречу и разделены ферромагнитными концентраторами 14, толщина которых зависит от величины магнитной индукции кольцевых магнитов. По первому варианту исполнения (фиг. 1, 2) дополнительная магнитная система 12 установлена между впускным патрубком 7 и первой по ходу движения очищаемой среды перегородкой 6, которая выполнена из ферромагнитного материала. По второму варианту исполнения (фиг. 3, 4, 5) дополнительная магнитная система 12 установлена за первой по ходу движения очищаемой среды перегородкой 6, при этом перегородка 6 выполнена из немагнитного материала.

Работает магнитный инерционно-гравитационный фильтрующий осветлитель следующим образом.

Подлежащий очистке поток среды, например питательная вода для паровых котлов и систем водяного охлаждения, через входной патрубок 7 поступает в камеру осаждения 3, где вследствие резкого расширения на выходе из патрубка 7 и увеличивающегося сечения камеры 3 происходит осаждение крупных частиц примесей под действием инерционных и гравитационных сил.

Крупные частицы (d≥0.5 мм) под действием сил тяжести осаждаются на дне шламосборника 4. На этом этапе массовая доля от общего количества задержанных частиц составляет γ = 30-35%. Под воздействием высокоградиентного магнитного поля дополнительной магнитной системы 12 более мелкие слабомагнитные частицы (d = 0.05-0.01 мм) укрупняются и также осаждаются под действием сил тяжести (γ = 5-10%). Кроме того, частицы с сильнее выраженными магнитными свойствами оседают на дополнительной магнитной системе 12 и основных магнитах 11 (γ = 25-45%). Наличие нескольких перегородок 6 в камере осаждения 3 обеспечивает резкое изменение направления движения потока, при этом частицы загрязнений в результате инерционного движения ударяются о перегородку 6 (d= 1-0.05 мм), теряют свою скорость и, скапливаясь на ее поверхности, под действием сил гравитации постоянно "сползают" на дно шламосборника 4 (γ = 15-20%).
Крупные и легкие частицы (d = 0.5-2 мм), имеющие размер, превышающий размер ячейки фильтрующего элемента, задерживаются объемным сетчатым фильтрующим элементом 10 (γ = 5-10%).
Данные промышленной эксплуатации магнитного инерционно-гравитационного фильтрующего осветлителя позволили получить следующие усредненные данные распределения уловленных примесей в осветлителе по их массе. Основная часть примесей 60% от общей массы находилась в шламосборнике 4. Массовая доля примесей, которые были сняты с дополнительной магнитной системы 12, составила 30%. На долю основных магнитов 11 приходилось 5% массы уловленных примесей. Массовая доля примесей, задержанных сетчатым фильтрующим элементом, составила 5%.

За счет того, что дополнительная магнитная система 12 установлена с возможностью отвода ее за пределы корпуса 1 без снятия крышки 2 и разгерметизации корпуса 1 достигается увеличение времени фильтроцикла, грязеемкости, сокращение затрат времени на промывку. В процессе очистки либо при прекращенной подаче очищаемой среды дополнительная магнитная система 12 кратковременно извлекается из корпуса 1, при этом осевшие на ее поверхности магнитовосприимчивые примеси под действием сил гравитации "сползают" на дно шламосборника 4 и удаляются через патрубок отвода шлама 9. Таким образом осуществляется частичная регенерация инерционно-гравитационного осадителя.

Полная регенерация инерционно-гравитационного фильтрующего осветлителя (фиг. 5) осуществляется при извлеченной из корпуса 1 дополнительной магнитной системе 12 путем подачи потока жидкости через патрубки 7, 8 и отвода шлама через патрубок 9. В процессе регенерации промывается объемный сетчатый фильтрующий элемент 10, удаляется осадок с основных постоянных магнитов 11 и перегородок 6. После определенного числа циклов регенерации рекомендуется проводить техническое обслуживание инерционно-гравитационного осадителя путем снятия крышки 2 и ручного удаления и промывки всех элементов устройства.

Выполнение дополнительной магнитной системы 12 постоянных кольцевых магнитов 13 из материала с большей на порядок магнитной энергией, чем у основных магнитов 11, предназначено для интенсификации процессов осветления путем намагничивания магнитовосприимчивых примесей, находящихся в обрабатываемой воде, что позволяет повысить производительность и эффективность процесса очистки за счет процесса коагуляции этих частиц.

Поляризационные эффекты, связанные с воздействием внешнего магнитного поля, обусловливают изменения энергии взаимодействия между компонентами в растворе, что проявляется в изменении равновесия в растворе и в особенности на поверхности раздела фаз. Так, ускорение и усиление адсорбции ионов из раствора под воздействием магнитного поля является фактором, снижающим агрегативную стойкость нерастворимых примесей в особенности с d = 0.02-0.01 мм. В результате частицы укрупняются, что обеспечивает их извлечение на поверхности сетчатого фильтра.

Кроме того, частицы с магнитными свойствами (например, продукты коррозии), оседая под действием сил гравитации и при воздействии внешнего магнитного поля, также стремятся соединиться друг с другом для образования более крупных агрегатов, что способствует их отделению осветлителем. В результате воздействия магнитного поля эффект осветления увеличивается на 5-10%.

Эффект магнитного воздействия зависит от концентрации взвеси и увеличивается с ее ростом. Выделение взвеси с использованием магнитного устройства позволяет также получить осадок, который впоследствии лучше уплотняется.

Повышение эффекта магнитного воздействия на взвеси, и, следовательно, эффективности очистки, достигается за счет того, что дополнительная магнитная система 12 выполнена в виде постоянных магнитов 13, расположенных соосно друг c другом одноименными полюсами навстречу и разделенных ферромагнитными концентраторами 14 (фиг. 6), толщина которых зависит от величины магнитной индукции магнитов. Следствием такого конструктивного решения является создание высокоградиентного неоднородного магнитного поля со значениями магнитной индукции в области размещения концентраторов превышающими в несколько раз значение индукции на поверхности самих магнитов. Кроме того, как известно [5] , с увеличением неоднородности магнитного поля возрастает силовое воздействие на магнитовосприимчивые частицы и повышаются скорость осаждения на поверхности магнитной системы и эффективность очистки за счет улавливания более мелкодисперсных примесей.

В замкнутых системах горячего водоснабжения и охлаждения котлов примесные частицы в своем большинстве (до 80%) обладают магнитными свойствами, так как являются продуктами коррозии. Кроме того, немагнитные колоидные частицы с содержанием таких химических элементов как железо, никель, кобальт, алюминий при нагревании образуют шпинели, также обладающие магнитными свойствами.

Повышение производительности и эффективности процесса очистки, увеличение времени фильтроцикла и грязеемкости магнитного осадителя, который устанавливается в замкнутых системах горячего водоснабжения и охлаждения котлов, достигается за счет того, что дополнительная магнитная система 12 установлена между впускным патрубком 7 и первой по ходу движения очищаемой среды перегородкой 6 (фиг. 1). Основная масса примесей задерживается именно этой магнитной системой и удаляется в процессе быстрой регенерации осадителя. Выполнение перегородки 6 из ферромагнитного материала позволяет использовать магнитный поток дополнительной магнитной системы 12 на ее намагничивание, увеличить зоны с высокими значениями магнитной индукции, в которых происходит накопление и удержание примесей, и тем самым дополнительно повысить грязеемкость осадителя.

Повышение эффективности очистки воды с высоким содержанием коллоидных частиц (d = 0.05-0.01 мм) достигается тем, что дополнительная магнитная система 12 установлена за первой по ходу движения очищаемой среды перегородкой 6 (фиг. 3). При этом перегородка 6 выполнена из немагнитного материала для того, чтобы не замыкать магнитный поток на себя, а оказывать магнитное воздействие на примеси. Причем в данном случае объем фильтрующий осветлительной камеры 3 между корпусом 1 и перегородкой 6 играет роль камеры флокуляции с лучшими гидравлическими характеристиками по сравнению с первым вариантом осадителя (фиг. 1, 2).

Повышение эффективности очистки, в первую очередь это касается легких примесей, достигается тем, что сетчатый фильтрующий элемент, закрепленный на каркасе, выполнен многослойным с уменьшающейся по ходу фильтрования площадью окна ячейки. Осаждение более крупных частиц на первых по ходу движения воды сетках позволяет равномерно распределить нагрузку на фильтрующий элемент в целом и повысить эффективность использования сетчатого фильтрующего материала.

Источники информации
1. Водяные тепловые сети, справочное пособие по проектированию, под. ред. Н.К. Громова, Е.П. Шубина.: М., Энергоатомиздат, - 1988.

2. Патент республики Польша N 161750, кл. B 01 D 21/02, 1993.

3. Авторское свидетельство СССР N 1839344, кл. B 03 C 1/00, B 01 D 21/00, 1987.

4. Авторское свидетельство СССР N 1491583, кл. B 03 C 1/00, B 01 D 35/06, 1989, бюл. N 25.

5. Очистка жидкостей в магнитном поле, Сандуляк А.В. Львов: Вища школа. Изд-во при Львовск. ун-те, 1984.

Изобретение относится к области очистки жидкостей от взвешенных частиц и коллоидных соединений инерционно-гравитационным осаждением с использованием магнитного воздействия на осаждаемые примеси. Устройство содержит камеру осаждения с перегородками, постоянные магниты в виде вертикально чередующихся рядов противоположной полярности, размещенные на поверхности перегородки из ферромагнитного материала, установленной перед выпускным патрубком. В камере осаждения установлена дополнительная магнитная система с возможностью отвода ее за пределы корпуса без снятия крышки и разгерметизации. На выпускном патрубке размещен объемный и многослойный сетчатый фильтрующий элемент. Технический результат состоит в улучшении фильтрации и коагуляции коллоидных примесей. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Магнитный инерционно-гравитационный фильтрующий осветлитель, включающий корпус со съемной крышкой, функционально состоящий из камеры осаждения и шламосборника, разделенных решеткой, размещенные в камере осаждения перпендикулярно входящему потоку перегородки, основные постоянные магниты, установленные на перегородке, впускной и выпускной патрубки, расположенные в верхней части корпуса, патрубок отвода шлама, сетчатый фильтрующий элемент на выпускном патрубке, отличающийся тем, что основные постоянные магниты набраны в виде вертикально чередующихся рядов противоположной полярности, размещенных на поверхности перегородки, которая выполнена из ферромагнитного материала и расположена перед выпускным патрубком, в камере осаждения установлена дополнительная магнитная система с возможностью отвода ее за пределы корпуса без снятия крышки и разгерметизации корпуса, а сетчатый фильтрующий элемент выполнен объемным и многослойным. 2. Магнитный инерционно-гравитационный фильтрующий осветлитель по п.1, отличающийся тем, что дополнительная магнитная система выполнена в виде постоянных кольцевых магнитов из материала с большей на порядок магнитной энергией, чем у основных магнитов, причем кольцевые магниты расположены соосно друг к другу одноименными полюсами навстречу и разделены ферромагнитными концентраторами. 3. Магнитный инерционно-гравитационный фильтрующий осветлитель по п.1 или 2, отличающийся тем, что сетчатый фильтрующий элемент выполнен по меньшей мере из двух последовательно расположенных сеток с уменьшающейся по ходу фильтрования минимум на порядок площадью окна ячейки. 4. Магнитный инерционно-гравитационный фильтрующий осветлитель по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что дополнительная магнитная система установлена между впускным патрубком и первой по ходу движения очищаемой среды перегородкой, которая выполнена из ферромагнитного материала. 5. Магнитный инерционно-гравитационный фильтрующий осветлитель по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что дополнительная магнитная система установлена за первой по ходу движения очищаемой среды перегородкой, которая выполнена из немагнитного материала.