СПОСОБ ОБРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЛИТА ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ И МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК C02F1/48 C02F103/34 

Изобретение относится к технологии магнитной обработки и деминерализации растворов электролитов и воды и может быть использовано для электромагнитной обработки (т.е. обработки магнитным полем и электрическим током) жидкостей в технологических процессах, в частности, для очистки сточных вод в различных областях промышленности (теплоэнергетике, химической промышленности, машиностроении), например, при очистке добавочной воды паросиловых установок, оборотных систем охлаждения и подпиточной воды для тепловых сетей.

Магнитная обработка водных систем изменяет ряд физических и физико-химических характеристик последних (диэлектрическую проницаемость, вязкость, магнитную восприимчивость, проводимость и др.). Применение магнитной обработки воды в основном известно для удаления окислов турбинного конденсата энергетических установок сверхкритического давления, при подготовке подпиточной воды тепловых сетей и для обработки высоко минерализированной, в том числе и морской воды перед дистилляцией.

Ряд технологий предусматривают также применение устройств, в которых под действием электрического тока в приэлектродных зонах происходит деионизация примесей, что приводит к снятию перенасыщенности раствора слаборастворимыми солями и, как следствие, к снижению жесткости воды за счет выпадения осадка.

Так, в патенте США № 5603843 (МПК⁷: C 02 F 1/48, опубл. в ИСМ № 3, 1998 г.) описан процесс снятия перенасыщенности воды под действием электрического тока, что вызывает выпадение в осадок слаборастворимых примесей, присутствующих в воде.

Аналогичный эффект, который имеет место при обработке воды, описан в патенте России № 21377721 (МПК⁷: C 02 F 5/00, опубл. в БИ № 26, 1999 г.), где используется обработка воды при нагрузке, не превышающей величины напряжения распада рабочей среды. На электродах электролизного устройства откладываются соли жесткости и выделяются газы. Накопленный в устройстве осадок выводится наружу.

Данным техническим решениям присущ общий недостаток - описанная в них технология обработки раствора имеет сугубо узкую направленность - частичное умягчение воды, то есть удаление из нее излишка солей жесткости, которые являются нежелательными по причине образования слоя накипи на поверхностях теплообменных устройств. При такой обработке не происходит глубокого очищения воды, предполагающего отделение ионов растворенных в воде солей.

В ряде случаев применяется сочетание воздействия на водный раствор эффектов магнитного поля и электрического тока.

Так, в заявке РСТ 92/06042 (МПК⁷: C 02 F 1/48, опубл. в ИСМ № 8, 1993 г.) с помощью двух магнитных систем, смонтированных на трубопроводе, по которому протекает вода, на последнюю влияют как магнитным полем, так и электрическим током.

Подобное решение использовано и в патенте США № 5616250 (MПK⁷: С 02 F 1/48, опубл. в ИСМ № 5, 1998 г.), где жидкость в процессе обработки проходит через секцию, оснащенную обмоткой, наводящей электромагнитное поле, которое воздействует на поток.

В результате влияния на водную систему двух факторов - магнитного поля и электрического тока снижение ее жесткости дополнительно усиливается, но, как и в двух предыдущих технических решениях, ионы солей, которые растворены в воде, также не отделяются. В то же время, умягчение жесткой воды является крайне важной проблемой во многих областях народного хозяйства, в особенности в теплоэнергетике, где борьба с накипью весьма актуальна, причем к современным водоочистительным технологиям предъявляются требования значительно более глубокого умягчения и эффективного обессоливания.

Известны способы и устройства, в которых глубокое очищение водных систем основано на использовании явления взаимодействия заряженных частиц (ионов и мелкодисперсных заряженных примесей) с магнитным полем, направленным так, что происходит их вывод из водной системы. Механизм взаимодействия электрических зарядов с магнитным полем определяется силой Лоренца, которая описывается формулой:

F_Л=V·B·Q·sin α,

где F_Л - сила Лоренца,

V - скорость перемещения заряженной частицы (иона) относительно магнитного поля,

В - индукция магнитного поля,

Q - заряд частицы,

α - угол между векторами В и V.

Так, известно устройство, функционирование которого основано на совместном воздействии на раствор магнитного и электрического полей в сочетании с тангенциальным вводом потока в цилиндрическую камеру (патент Франции № 2629447, МПК⁷: С 02 F 1/48, опубл. в ИСМ № 4, 1990 г.).

Недостатком этого устройства является то, что турбулентность высокоскоростного потока в значительной мере нарушает направленное движение ионов, из-за чего эффективность такого устройства невысока.

Более эффективны устройства для магнитной обработки жидкости, которые используют относительное движение магнитного потока и обрабатываемого раствора. Так, известно устройство, в котором осуществляется деминерализация или обессоливание раствора под действием силы Лоренца в магнитном поле, которое создается вращением камеры (а.с. № 1428709, МПК⁷: C 02 F 1/48, опубл. в БИ № 37, 1988 г.).

Однако селективный массоперенос, предполагающий наличие вращающихся масс, существенно усложняет конструкцию и снижает ее надежность.

На принципе вращения магнитной системы создано устройство, описанное в а.с. № 1820899 (МПК⁷: C 02 F 1/48, опубл. в БИ № 21, 1993 г.). Обрабатываемый раствор подвергается воздействию магнитного поля, создаваемого вращением соленоида. Магнитное поле инициирует воздействие на частицы сил Лоренца, которые сдвигают их в сторону концентрических камер. Раствор поступает в камеру через перегородки (мембраны). Наличие мембран способствует возникновению обратного осмоса, который повышает эффективность обессоливания раствора, однако мембраны забиваются, что снижает надежность устройства. В данном устройстве, как и в вышеупомянутом, не происходит разделения раствора на ионы и выведение последних.

Наиболее близким к предложенному является способ обработки электролита электрическим и магнитным полем, включающим воздействие на электролит взаимно перпендикулярных переменных и синхронно изменяющихся магнитного и электрического полей (а.с. № 1608136, МПК⁷: C 02 F 1/48, опубл. в БИ № 43, 1990 г.). В известном решении направление электрического тока изменяется синхронно с изменением вектора напряженности магнитного поля. Для обеспечения синфазности магнитного и электрического полей применяется фазовращатель.

В описанном выше способе исключается поляризация электродов, однако, вследствие малой скорости перемещения ионов в объеме раствора, удаленного от электродов, скорость обработки раствора (скорость перераспределения концентрации) мала, что ограничивает производительность способа. Указанные недостатки снижают возможности применения известного способа в промышленных устройствах, ограничивая область применения последнего.

Наиболее близким к предложенному устройству является устройство для магнитной обработки электролита, содержащее ферромагнитный статор с обмотками для создания вращающегося электромагнитного поля и размещенный в полости статора с образованием кольцевой полости для прохождения электролита неподвижный сердечник, при этом статор и сердечник выполнены с пазами, в которых расположены обмотки, изолированные от обрабатываемого электролита, а на торцах кольцевой полости установлены электрически соединенные с обрабатываемым электролитом электроды, подключенные к обмотке сердечника, а также патрубки подведения обрабатываемого и отведения обработанного электролита (патент России № 2127229, МПК⁷: C 02 F 1/48, опубл. в БИ № 7, 1999 г.). Сердечник оснащен трехфазной многовитковой обмоткой. Для получения максимальной ЭДС на концах обмотки сердечник установлен неподвижно. Емкость для жидкости образована частями герметизированных и электроизолированных статора и сердечника.

Недостаток известного устройства, как и большинства устройств магнитной обработки жидкости, состоит в том, что эффективность обработки жидкости (воды) недостаточна. В этих устройствах не происходит сколько-нибудь интенсивного выделения ионов из раствора.

Техническим результатом, ожидаемым от использования изобретения, является повышение эффективности процессов магнитной обработки и деминерализации при одновременном упрощении и удешевлении способа и устройства для его реализации, что позволит использовать предложенное техническое решение в промышленности.

Указанный результат достигается тем, что в способе обработки электролита электрическим и магнитным полем, включающем воздействие на электролит взаимно перпендикулярных переменных и синхронно изменяющихся электрического и движущегося магнитного полей, воздействие на электролит осуществляют движущимся электрическим полем, причем мгновенные скорости движения электрического и магнитного полей поддерживают равными по величине и направлению.

Указанный результат достигается также тем, что в устройстве для обработки электролита электрическим и магнитным полем, содержащем ферромагнитный статор с обмоткой и размещенный в нем с образованием полости для электролита неподвижный сердечник с обмоткой, а также подключенные к обмотке сердечника и расположенные в полости электроды и патрубки для подведения обрабатываемого и отведения обработанного электролита, один из электродов разделен по числу фаз обмотки сердечника на изолированные друг от друга ламели, каждая из которых подключена к соответствующим фазным обмоткам сердечника, а полость разделена герметическими электроизолирующими перегородками на отдельные камеры, каждая из которых содержит патрубки для подведения обрабатываемого и отведения обработанного электролита и дополнительный патрубок для отведения рассола.

При этом число камер полости меньше или равно числу ламелей, которые распределены равномерно по периметру полости.

Кроме того, обмотка сердечника выполнена многофазной, по числу пазов сердечника.

И, наконец, полость может быть выполнена кольцевой.

Существо изобретения поясняют фиг.1-6. На фиг.1 схематично изображено устройство для осуществления способа (разделения электролита); на фиг.2 - схема соединений обмоток сердечника в развернутом виде; на фиг.3 - схема камеры и распределения в ней ионов; на фиг.4 - схема последовательного соединения камер для повышения глубины очищения раствора; на фиг.5 - схема последовательного соединения камер для повышения концентрации рассола; на фиг.6 - пример линейного устройства для разделения электролита.

Предложенное устройство (фиг.1) содержит статор 1, в пазах 2 которого расположены, например, трехфазные, обмотки 3, с помощью которых создается вращающееся магнитное поле. В полости статора расположен шихтованный сердечник (неподвижный ротор) 4, в пазах 5 которого расположены многофазные обмотки 6, соединенные последовательно, аналогично обмоткам коллекторного двигателя. Устройство содержит также верхний электрод 7 и нижний электрод 8, выполненный в виде сплошного кольца (пластины). Фазовые выводы многофазной обмотки 6 подключены к ламелям 9 (фиг.2), образующим электрод 7. Схема соединения обмоток сердечника (ротора) приведена в развернутом виде на фиг.2.

Кольцевая полость (рабочая емкость) 10 образована зазором между статором 1 и сердечником (ротором) 4, поверхности которых герметизованы и электрически изолированы одним из известных способов (компаунд, лак, склеивание и т.д.). Кольцевая полость 10 разделена герметичными перегородками 11 из изоляционного материала на отдельные рабочие камеры 12. Камеры 12 закрываются верхней 13 и нижней 14 крышками. В верхней крышке 13 расположены входные патрубки 15, объединенные общим впускным коллектором 16, через который поступает исходная вода. В нижней крышке 14 каждая из камер 12 снабжена двумя патрубками 17 и 19 (фиг.1, 6), расположенными вблизи перегородок 11. Первая группа дренажных патрубков 17 объединена дренажным коллектором 18. Из второй группы патрубков 19 очищенная вода поступает в общий трубопровод 20.

Схема камеры 12 и распределение в ней ионов приведена на фиг.3. Входной патрубок 15 оснащен распределительным устройством (на схеме не показано), с помощью которого обеспечивается ламинарность потока в камере. Через нижние патрубки 17 выводится засоленный раствор (рассол), через патрубки 19 - фильтрат (очищенная жидкость). В верхней части камеры 12 размещены ламели 9 верхнего электрода 7, в нижней части - нижний электрод 8. Буквами А, Б, В обозначены направления сил Лоренца, сил электрического поля и движения магнитного поля относительно камеры 12 соответственно.

На схеме приведены мгновенные направления действия сил электрического поля, однако, благодаря синхронности изменения направления тока и магнитного поля, силы Лоренца имеют постоянное направление, что и обеспечивает перераспределение концентрации примесей в камере 12.

Максимальная ЭДС наводится на диаметрально противоположных ламелях 9, что приводит к образованию электрической цепи, включающей два участка обрабатываемой жидкости (на фиг.2 они показаны пунктиром и обозначены R_p).

Последовательность подключения рабочих камер 12 можно варьировать для повышения как глубины очистки, так и концентрации рассола. Так, на фиг.4 изображен вариант подключения камер 12 для повышения глубины очистки фильтрата, а на фиг.5 - для повышения концентрации рассола. Буквами П, Р, Ф на фиг.4, 5 обозначены - начальная (исходная) вода, рассол и фильтрат (очищенная вода) соответственно. При этом стрелкой Г обозначена операция подведения исходной воды, подлежащей очищению, стрелкой Д - отвод рассола в дренажный концентратор, стрелкой Е - отвод очищенной воды (фильтрата), стрелкой Ж - отвод концентрированного рассола, стрелкой З - отвод воды на дополнительную очистку или в дренаж.

Согласно фиг.4 в каждую следующую камеру 12 вводится фильтрат из предыдущей камеры 12. Отведенный фильтрат из последней камеры 12 (показан стрелкой Е), прошедший неоднократную обработку, характеризуется высокой глубиной очистки.

Схема на фиг.5 демонстрирует последовательность прохождения рассола от одной рабочей камеры 12 к другой до достижения им высокой степени концентрации. Такие варианты подключения рабочих камер 12 можно осуществлять как с одним устройством, так и с несколькими. В случае необходимости обработки значительных масс жидкости, когда требуется высокая производительность, целесообразно последовательно соединять камеры 12 нескольких устройств.

Осуществление способа рассмотрим на примере работы устройства.

В основу способа положено влияние на электролит переменного движущегося магнитного поля и синхронного с ним электрического поля, которое движется в том же направлении, в результате чего магнитное поле инициирует возникновение сил Лоренца, которые, во взаимодействии с однонаправленными силами электрического поля, усиливают степень разделения и скорость перемещения заряженных частиц (примесей ионного характера) в объеме раствора, отдаленного от электродов, что повышает производительность процесса и обусловливает возможность глубокого очищения водных растворов.

В предлагаемом устройстве высокоэффективное обессоливание водных систем достигается за счет применения многофазной обмотки 6, разделения электрода 7 на ламели 9 и оптимизации их соединений с фазами обмотки 6, а также дополнения кольцевой полости устройства перегородками 11. В результате в точках разделения каждой из фаз, которые подключены к ламелям 9, создается ЭДС, двигающаяся синхронно с магнитным полем и обусловливающая наличие в электролите токов, фазовый сдвиг которых обеспечивает в каждой камере 12 максимальное взаимодействие магнитного поля с мигрирующими ионами. Это повышает скорость перемещения заряженных частиц и, как следствие, усиливает степень разделения.

Совместное влияние на электролит синхронно изменяющихся магнитного и электрического полей, векторы которых взаимно перпендикулярны, всегда обусловливает одностороннюю направленность сил Лоренца в электролите, что приводит к разделению его на очищенную жидкость и рассол. Но такой синхронности взаимодействия обоих полей недостаточно для обеспечения высокой скорости перераспределения ионов. Придание магнитному полю скорости относительно обрабатываемого раствора дает возможность интенсифицировать скорость миграции заряженных частиц в объеме жидкости, который отдален от электродов. Это происходит за счет того, что силы Лоренца, наведенные движущимся магнитным полем, постоянны по направлению благодаря тому, что электрическое поле синхронно с магнитным и также двигается в том же направлении, в результате чего повышается скорость движения заряженных частиц не только в приэлектродных зонах, а и по всему объему раствора.

Разделение кольцевой полости 10 вертикальными герметичными и электроизолирующими перегородками 11 на ряд камер 12 (число которых может быть, например, кратно числу фаз статора 1) обеспечивает создание в каждой из камер 12 токов, синхронных с изменением вектора магнитной индукции. При перпендикулярности вектора магнитной индукции потоку обрабатываемой воды и его движении перпендикулярно наведенному в этом потоке электрическому току, с одной стороны перегородки 11 образуется зона повышенной концентрации раствора, который отводится в виде рассола. Сдвиг заряженных частиц в сторону движения магнитного поля (через патрубки 17 к коллектору 18) приводит к снижению их концентрации в противоположной части камеры (через патрубки 19 к трубопроводу 20).

При подключении обмотки 3 статора 1 к источнику трехфазного тока наводится переменный магнитный поток (магнитное поле), генерирующий в обмотке 6 сердечника 4 и в жидкости, находящейся в кольцевой полости 10, переменную ЭДС, синхронизированную с магнитным полем. Благодаря подключению каждой фазы обмотки 6 сердечника 4 к соответствующим ламелям 9 в точках разделения фаз генерируется ЭДС, которая двигается синхронно с магнитным полем. Ламинарный поток обрабатываемой жидкости подается перпендикулярно магнитному полю. Одновременное влияние на электролит магнитного и электрического полей, векторы которых изменяются синхронно и движение которых направлено в одну сторону, обусловливают одностороннюю направленность сил Лоренца в электролите, что приводит к разделению его на очищенную жидкость и рассол. При этом интенсифицируется скорость движения заряженных частиц в объеме жидкости, отдаленном от электродов. В каждой камере 12 создаются синхронные с изменением вектора магнитной индукции токи, которые пересекаются движущимся магнитным полем. При перпендикулярности вектора магнитной индукции потоку обрабатываемой воды и его движении перпендикулярно приведенному в этом потоке электрическому току, с одной стороны перегородки 11 образуется зона повышенной концентрации раствора, который выводится в виде рассола. Заряженные частицы сдвигаются в сторону движения магнитного поля (к дренажному патрубку 17), что приводит к снижению их концентрации в противоположной части камеры 12 (основного патрубка 19).

В результате перераспределения концентраций примесей по объему камеры 12, через дренажные патрубки 17 выделенные примеси отводятся в дренажный коллектор 18, а очищенная вода через основные патрубки 19 поступает в общий трубопровод 20.

Необходимо отметить, что вращение магнитного поля со скоростью до 50 м/с (на промышленной частоте 50 Гц) приводит к возникновению сил Лоренца, воздействующих на заряженные частицы, которые движутся под действием электрического поля. Благодаря этому возрастает скорость миграции ионов в объеме раствора, отдаленного от электродов, что обеспечивает повышение скорости и эффективности распределения примесей. Повышение частоты до 400-500 Гц позволит повысить относительную скорость магнитного поля до 400-500 м/с.

Более рациональной с точки зрения экономии металла и использования производственной площади может быть линейная конструкция устройства, схема которого приведена на фиг.6. Такая конструкция упрощает соединение в блоки отдельных устройств, причем активный сердечник 4 может быть один на весь блок, а ламели 9 верхнего электрода 7 каждого из устройств, которые входят в блок, соединяются параллельно.

Изобретение относится к электромагнитной обработке жидкостей в технологических процессах и может использоваться при очистке дополнительной воды паросиловых установок, оборотных систем охлаждения и воды для подпитки тепловых сетей. Влияние на электролит осуществляют переменным движущимся магнитным полем, а электрическое поле перемещают в том же направлении синхронно с магнитным полем. Устройство включает ферромагнитный статор с обмотками для создания вращающегося электромагнитного поля и размещенный в нем с образованием кольцевой полости для прохода электролита неподвижный сердечник. На торцах кольцевой полости установлены не изолированные от электролита электроды, подключенные к обмотке сердечника, а также патрубки подвода и отвода. Обмотка сердечника выполнена многофазной последовательной, один из электродов разделен на изолированные ламели по числу фаз обмотки, каждая из которых подключена к соответствующим фазным обмоткам. Кольцевая полость разделена на отдельные камеры, каждая из которых содержит дополнительный патрубок для отведения концентрированного электролита. Технический результат состоит в повышении эффективности деминерализации воды. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ обработки электролита электрическим и магнитным полем, включающей воздействие на электролит взаимно перпендикулярных переменных и синхронно изменяющихся электрического и движущегося магнитного полей, отличающийся тем, что воздействие на электролит осуществляют движущимся электрическим полем, причем мгновенные скорости движения электрического и магнитного полей поддерживают равными по величине и направлению.2. Устройство для обработки электролита электрическим и магнитным полем, содержащее ферромагнитный статор с обмоткой и размещенный в нем с образованием полости для электролита неподвижный сердечник с обмоткой, а также подключенные к обмотке сердечника и расположенные в полости электроды и патрубки для подведения обрабатываемого и отведения обработанного электролита, отличающееся тем, что один из электродов разделен по числу фаз обмотки сердечника на изолированные друг от друга ламели, каждая из которых подключена к соответствующим фазным обмоткам сердечника, а полость разделена герметическими электроизолирующими перегородками на отдельные камеры, каждая из которых содержит патрубки для подведения обрабатываемого и отведения обработанного электролита и дополнительный патрубок для отведения электролита.3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что число камер полости меньше или равно числу ламелей, которые распределены равномерно по периметру полости.4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что обмотка сердечника выполнена многофазной, по числу пазов сердечника.5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что полость выполнена кольцевой.