УСТРОЙСТВО ДЛЯ МАГНИТНОЙ ОБРАБОТКИ ЖИДКОСТИ Российский патент 2004 года по МПК C02F1/48 C02F103/02 

Изобретение относится к магнитной обработке жидкостей и может использоваться для интенсификации различных технологических процессов во многих отраслях промышленности: химической, электротехнической, нефтяной, в теплоэнергетике, водоснабжении и т. п., например, для предотвращения накипи на поверхности нагрева теплообменных аппаратов, для магнитного обессоливания воды и ее активации, а также для очистки и осветления технологической и бытовой воды.

В природных условиях вода не может сохранить химическую чистоту. Вода с которой мы сталкиваемся ежедневно, не является чистой, а содержит целый ряд разнообразных примесей как органического, так и неорганического состава.

Жесткая вода содержит минералы, которые откладываются на внутренней стороне поверхности труб, посудомоечных машин, стиральных машин, водонагревателей и другого подобного оборудования. Получающиеся в результате наросты препятствуют потоку воды, засоряют отверстия и клапаны. Наросты внутри водонагревателей, бойлеров, котлов, теплообменников и т.п. ухудшают теплопередачу, что приводит к перерасходу энергии (от 10 до 60%) и вызывает преждевременный выход оборудования из строя.

Стирка белья в жесткой воде грозит появлением серого оттенка, размягчением волокон, в результате чего срок службы белья сокращается, кроме того, требуется больше мыла и моющих средств, человеку же такая вода пересушивает кожу и волосы.

Накипь приводит к возникновению очаговой коррозии, в результате которой трубы начинают подтекать и их приходится заменять. Сильные отложения могут полностью закупорить систему и ускорить коррозию.

Проблема удаления отложений решается с использованием физических и химических методов. Химводоподготовка, т.е. предварительная обработка воды химическими реагентами, связывающими растворенные соли в нерастворимый осадок, является традиционной и широко используется в борьбе с отложениями этих солей в трубах, однако, высокие затраты, сложность технологического процесса и практически не решаемые в этом случае экологические проблемы однозначно вызывают необходимость поиска альтернативных методов.

Из физических наиболее известным является магнитный метод, т.е. обработка воды в магнитном поле определенной величины и пространственного распределения. Метод магнитной обработки воды известен давно, но только разработка постоянных магнитов нового поколения с высокими техническими характеристиками вызвала настоящий бум в развитых странах. Предприятия Европы отказываются от химических методов умягчения воды, делая выбор в пользу более дешевого и экологически чистого метода.

Под воздействием магнитного поля изменяются физические свойства воды, т.е. содержащиеся в ней вещества, например силикаты и карбонаты магния и кальция, теряют способность выпадать в осадок в виде плотного камня и выносятся током воды за пределы системы, не осаждаясь на стенках трубопроводов. При контакте омагниченной воды с уже выделившимися солями происходит их частичное растворение, а также разрушение до состояния мелкодисперсного легкоудаляемого шлама, улавливаемого стандартными фильтрами очистки от механических примесей.

Магнитная обработка воды осуществляется с помощью аппаратов, состоящих из нескольких пар постоянных магнитов, между полюсами которых протекают водные системы. Эффективность магнитной обработки зависит главным образом от напряженности и градиента напряженности магнитного поля, скорости течения и состава жидкой фазы водной системы. Все это предопределило множество конструкций устройств для магнитной обработки воды (В.И. Классен. Вопросы теории и практики магнитной обработки воды и водных систем. - М.: Химия, 1971 г.).

Известно устройство для магнитной обработки жидких сред, содержащее цилиндрический корпус и расположенные вдоль его оси поочередно кольцевые постоянные магниты и кольцевые полюсные наконечники, выполненные из магнитомягкого материала и примыкающие к одноименным полюсам смежных магнитов, причем на торцевых поверхностях полюсных наконечников выполнены кольцевые выступы с внутренним диаметром, равным внутреннему диаметру кольцевых магнитов, которые намагничены в радиальном направлении, а высота и толщина кольцевых выступов удовлетворяет заданному соотношению. Корпус выполнен герметичным из немагнитного материала с внутренним диаметром, равным внешним диаметрам кольцевых магнитов. Корпус снабжен центрирующими элементами, т.к. это устройство устанавливается в основную трубу, по которой протекает жидкая среда (Патент РФ №2098604, опубл. 10.12.1997 г.).

Это устройство имеет ряд существенных недостатков, а именно:

- расстояние между кольцевыми магнитами исходя из геометрических размеров полюсных наконечников составляет 3,5-6,0 высоты постоянных магнитов, а т.к. они намагничены в радиальном направлении, то магнитное поле по движению жидкой среды ослабляется и является неравномерным, поэтому эффективность обработки относительно низка;

- устройство находится в жидкой среде, подвергаясь с ее стороны химико-физическому воздействию, приводящему к снижению ресурса его работы и, кроме того, учитывая наличие центрирующих элементов, препятствует движению жидкости.

Известно устройство для магнитной обработки жидкости (Патент РФ №2192390, опубл. 10.11.2002 г.), содержащее магнитную систему с основными постоянными магнитами, размещенными по обе стороны зазора для протекания жидкости, обращенными полюсными поверхностями к этому зазору, перпендикулярными к направлению движения жидкости направлениями намагниченности, и замкнутым общим магнитопроводом, между ними размещены дополнительные постоянные магниты с чередующимися параллельными направлению движения жидкости направлениями намагниченности. Полярности обращенных к зазору полюсов основных магнитов совпадают с полярностью примыкающим к ним полюсов дополнительных магнитов, а между основными и дополнительными магнитами установлены прокладки из немагнитного материала, причем прокладки из немагнитного материала установлены и между дополнительными постоянными магнитам, и общим магнитопроводом. Дополнительные магниты выполнены составными из двух отдельных магнитов, между которыми установлены вставки из магнитомягкого материала, а отдельные магниты имеют одинаковое направление намагниченности.

Так как основные и дополнительные постоянные магниты имеют различное направление намагниченности - радиальное и аксиальное, жидкость, проходящая по трубопроводу, обрабатывается знакопеременным магнитным полем. Это должно улучшить процесс магнитной обработки ее.

Однако к недостаткам устройства следует отнести сложность конструкции и недостаточную эффективность для жидкостей со скоростью течения более оптимальной, а при скорости течения ниже оптимальной - из-за отсутствия перемешивания жидкости.

Известен аппарат для магнитной обработки воды, содержащий корпус с центральным обтекаемым телом, магнитную систему. Между корпусом и центральным телом имеется кольцевой канал, разделенный на ряд винтовых каналов с помощью винтовых перегородок, установленных попарно. В пазах перегородок установлены постоянные магниты, имеющие обтекаемую форму. Возможно, что в теле или на корпусе может быть размещен дополнительно электромагнит (Патент РФ №2053202, опубл. 27.01.1996 г).

Такая конструкция обеспечивает возможность изменения эффективности воздействия на воду магнитным полем за счет обработки ее только постоянными магнитами, только электромагнитом и одновременно постоянными магнитами и электромагнитом.

Движение струи между винтовыми перегородками по винтовой линии увеличивает время обработки жидкости, но усложняет конструкцию устройства.

Основным недостаткам аппарата являются:

- непосредственный контакт постоянных магнитов с жидкостью, т.к. они размещены в винтовых каналах, при этом их поверхности загрязняются и они теряют свои магнитные свойства;

- наличие центрального тела и винтовых перегородок увеличивает гидравлическое сопротивление трубопровода и усложняет конструкцию аппарата;

- использование электромагнита требует источника электропитания, применение только одного электромагнита не обеспечит требуемого качества воды;

- периодически необходимо отключать аппарат для проведения чистки или замены перегородок и постоянных магнитов.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является устройство для магнитной обработки жидкости, содержащее ферромагнитную трубу и установленные на ее внешней поверхности постоянные кольцевые магниты, охваченные герметично ферромагнитным экраном и установленные так, что их главные поверхности с одноименными полюсами обращены к оси трубы, а с одного торца каждого кольцевого магнита установлены без зазора ферромагнитные кольца, внешние полюса всех кольцевых магнитов зашунтированы установленными вдоль продольной оси ферромагнитной трубы без зазора к полюсам равномерно по внешней поверхности кольцевых магнитов ферромагнитными пластинами, при этом расстояние между торцами соседних колец выполнено не менее ширины кольцевого магнита (Патента РФ №2127708, опубл. 20.03.1999 г.).

Недостатком этого устройства является то, что обработка жидкости осуществляется неравномерно, т.к. кольцевые постоянные магниты намагничены в радиальном направлении, а между отдельными магнитами существуют зазоры, то градиент напряженности магнитного поля резко меняется после полюсного наконечника (ферромагнитное кольцо).

Ферромагнитная труба, по которой протекает обрабатываемая жидкость, является дополнительным экраном и снижает воздействие магнитного поля на жидкость.

Кроме того, конструкция магнитной системы не позволит достигнуть высокой эффективности магнитной обработки жидкостей с различными физико-химическими свойствами и различными скоростями движения этих жидкостей внутри ферромагнитной трубы. При высоких скоростях эффективность обработки падает.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности магнитной обработки потока жидкости с любыми скоростями движения и любыми физико-химическими свойствами за счет усиления магнитного поля в рабочем зазоре, при этом конструкция устройства не должна являться сложной и технологичной в изготовлении.

Технический результат достигается тем, что в известное устройство для магнитной обработки жидкости, содержащее ферромагнитную трубу, установленные на ее внешней поверхности кольцевые постоянные магниты, охваченные герметично экраном, причем с торца каждого кольцевого постоянного магнита установлены без зазора ферромагнитные кольца, внесены изменения и дополнения, а именно:

- кольцевые постоянные магниты установлены попарно одноименными полюсами друг к другу:

- ферромагнитные кольца установлены с обеих сторон кольцевых магнитов, образуя полюсные наконечники;

- труба, внутри которой движется поток жидкости, выполнена из немагнитного материала;

- по оси трубы установлено спиралевидное тело, причем форма спирали выбрана такой, чтобы поток жидкости, закручиваясь, стал турбулентным, а длина его превышает протяженность магнитной системы;

- геометрические размеры кольцевых постоянных магнитов и полюсных наконечников выбраны в зависимости от диаметра проходного сечения ферромагнитной трубы исходя из следующих отношений:

bпн=(0,25-0,35)Dпт (1);

bпм=(0,9-1,1)bпн (2);

stm=Dпт (60-80)/Br (3);

Dпн=0,95 Dпм (4),

где Dпт - внутренний диаметр ферромагнитной трубы, мм,

bпн, bпм - толщина полюсного наконечника и постоянного магнита соответственно, мм,

Dпн, Dпм - внешний диаметр полюсного наконечника и постоянного магнита, мм,

stm - площадь торцевой поверхности постоянного магнита, мм²,

Br - остаточная индукция материала, из которого изготовлен постоянный магнит, Тл.

- полюсные наконечники выполнены по ширине составными из отдельных ферромагнитных колец.

Вышеуказанная совокупность существенных признаков устройства для магнитной обработки жидкостей из обзора уровня техники не была выявлена.

Известно, что высокая эффективность магнитной обработки жидкости обеспечивается при выполнении следующих условий, предъявляемых к конфигурации магнитного поля в рабочем зазоре:

- высокая напряженность магнитного поля в каждой пучности;

- высокий градиент напряженности в каждой пучности;

- возможность вариации базы магнитной системы с сохранением величины и формы пучностей магнитного поля.

На основе экспериментов было установлено, что выполнение этих условий зависит от взаимного расположения постоянных кольцевых магнитов вдоль ферромагнитной трубы и от эффективности дополнительных элементов, обеспечивающих проникновение магнитных полей во внутреннюю полость немагнитной трубы, их локальную концентрацию и однородность в сечении трубы.

Эти свойства устройства для магнитной обработки потока жидкости обеспечиваются предложенными конструктивными признаками, в первую очередь, за счет того, что использовано аксиальное намагничивание попарно установленных одноименными полюсами кольцевых постоянных магнитов, снабженных с обеих сторон полюсными наконечниками. Это позволяет проводить магнитную обработку жидкости знакопеременным магнитным полем в зоне кольцевых магнитов вдоль оси 1 магнитной трубы (по ходу течения жидкости), а в зоне полюсных наконечников перпендикулярно движению жидкости, причем полюсные наконечники играют роль концентраторов магнитного потока.

Учитывая то, что магнитная система представляет единое целое, т.к. в ней отсутствуют зазоры между отдельными кольцевыми постоянными магнитами и она симметрична, то пучности по ходу движения жидкости распределены равномерно.

Использование выполненного из немагнитного материала экрана, заполненного герметиком, позволяет исключить помехи на магнитную систему, т.е. стабилизировать магнитное поле, используемое для обработки жидкости.

Известно, что скорость течения жидкости внутри проходной трубы может быть различной, а от нее зависит эффективность магнитной обработки жидкости. Помещение внутри трубы спиралевидного тела позволяет резко снизить влияние скорости на эффективность магнитной обработки. Это объясняется тем, что форма спирали выбрана такой, чтобы получить закручивание потока жидкости на входе в зону расположения магнитной системы при относительно низких скоростях течения потока на входе, чтобы он стал турбулентным. Это позволяет перемешать весь объем жидкости, причем при более высокой скорости потока жидкости перемешивание происходит более интенсивно, поэтому несмотря на меньшее время обработки потока магнитным полем достигается эффективность обработки.

При малых скоростях потока такой же эффект достигается за счет перемешивания и более длительного пребывания жидкости в зоне магнитной системы.

Длина спиралевидного тела выбирается таким образом, чтобы уже на входе в зону нахождения постоянных магнитов поток жидкости имел турбулентный характер.

Выполнение спиралевидного тела из немагнитного материала необходимо для того, чтобы не искажать форму магнитного поля и не ослаблять его воздействие на жидкость.

Диаметр проходного сечения немагнитной трубы влияет на эффективность магнитной обработки, т.к. чем больше диаметр ее, тем больший должен быть градиент напряженности магнитного поля. Исходя из этого геометрические размеры элементов магнитной системы (постоянные кольцевые магниты, полюсные наконечники и т.п.) должны быть выбраны таким образом, чтобы обеспечить достаточную эффективность магнитной обработки жидкости для наиболее часто применяемых проходных диаметров труб. На основании исследований, проведенных с трубами различных диаметров, и был выбран диапазон геометрических размеров кольцевых постоянных магнитов и полюсных наконечников.

При толщине полюсного наконечника (расстояние между кольцевыми постоянными магнитами, меньшей 0,25 проходного диаметра немагнитной трубы, магнитное поле не проникает с достаточной равномерностью на все сечение трубы, а при большем - 0,35 проходного диаметра трубы - величина магнитного поля не обеспечивает эффективную обработку жидкости.

Ширина кольцевого постоянного магнита выбрана исходя из того, что при отношении ее к ширине полюсного наконечника меньшим 0,9 протяженность зоны магнитного поля вдоль аксиального направления оси оказывается недостаточной для эффективной обработки жидкости, а при соотношении тех же величин больше 1,1 возрастание зоны магнитного поля вдоль аксиального направления оси уже не сказывается на эффективности магнитной обработки жидкости, но увеличивает массу и габариты постоянных магнитов.

На основании экспериментальных исследований было установлено, что только при выборе площади торцевой поверхности кольцевого постоянного магнита из выражения (3) удается добиться оптимальной пропорции между объемом постоянного магнита и эффективностью магнитной обработки жидкости. При меньших площадях торцевой поверхности постоянного магнита величина магнитного поля уменьшается, качество обработки падает.

При площади торцевой поверхности постоянного магнита большей, чем из выражения (3), эффективность магнитной обработки не возрастает, а даже наблюдается некоторое снижение эффекта. Возможно, это вызвано перераспределением магнитного поля между внутренними и внешними областями.

Отношение внешнего диаметра полюсного наконечника к внешнему диаметру постоянного магнита, равное 0,95 (4), выбрано исходя из того, что при этом соотношении достигается наилучшее использование массы магнитного материала. При величине отношения больше или меньше заявляемого начинает наблюдаться уменьшение величины магнитного поля в зоне обработки жидкости.

Полюсные наконечники выполнены составными, из отдельных ферромагнитных колец, т.к. это позволяет регулировать расстояние между кольцевыми постоянными магнитами в пределах заявляемого диапазона.

Таким образом, технический результат является наиболее оптимальным в диапазоне выбранной геометрии магнитной системы и немагнитного спиралевидного тела, а также за счет конструкции устройства в целом.

Сущность изобретения поясняется следующими чертежами, где на фиг.1 представлена конструкция заявляемого устройства, на фиг.2 - характер напряженности аксиального магнитного поля и т.д.

Устройство для магнитной обработки жидкости (на фиг.1) содержит немагнитную трубу 1, предназначенную для транспортировки потока обрабатываемой жидкости, спиралевидное тело 2, изготовленное из немагнитного материала и размещенное внутри трубы навстречу направлению движения потока жидкости, кольцевые постоянные магниты 3, установленные на внешней поверхности немагнитной трубы, кольцевые полюсные наконечники 4, установленные с обоих торцов кольцевых постоянных магнитов 3, экран 5, охватывающий магнитную систему, крышки 6, обеспечивающие крепление магнитной системы гайками 7, одновременно образуя с экраном полость 8, которая заполняется пено-герметиком через отверстия в крышках 6. Для подсоединения к трубопроводу устройство снабжено штуцером 9, а спиралевидное тело фиксируется в немагнитной трубе гайками 10.

Полюсные наконечники 4 выполняются составными из нескольких ферромагнитных колец разной толщины.

Устройство работает следующим образом.

Для магнитной обработки жидкости устройство врезается в трубопровод с помощью штуцеров 9. При прохождении жидкости по рабочему зазору немагнитной трубы 1 поток движется вдоль спиралевидного тела 2, закручиваясь и перемешиваясь по объему. Одновременно он обрабатывается аксиальными магнитными полями, образованными попарно установленными одноименными полюсами кольцевыми постоянными магнитами 3 в направлении движения жидкости, а в поперечном сечении перпендикулярными магнитными полями, образованными полюсными наконечниками 4, изготовленными из магни-томягкого материала, поэтому они играют роль концентраторов и амплитуда напряженности поля выше, чем у аксиального магнитного поля, а следовательно, и градиент проникновения его в жидкость выше. В результате по всему проходному сечению жидкость обрабатывается магнитным полем.

Эффективность магнитной обработки различных жидкостей достигается также за счет того, что модулей попарно установленных кольцевых постоянных магнитов не менее 5, поэтому время для качественной обработке воды достаточно для жидкостей, имеющих различный состав и физико-химические свойства.

В результате магнитной обработки жидкости с повышенным содержанием минеральных солей соли переходят в гелеобразное состояние и теряют способность при дальнейшем воздействии электрического поля осаждаться на внутренних поверхностях технологического оборудования.

Кроме того, при наличии в жидкости ферромагнитных частиц происходит очистка от них, т.к. они оседают на внутренних стенках немагнитной трубы устройства, а после отсоединения устройства от трубопровода их можно удалить.

Конструкция проста и не вызывает трудностей в изготовлении и промышленной реализации.

По сравнению с известными устройствами для магнитной обработки жидкостей заявляемое техническое решение имеет ряд преимуществ, а именно:

- высокую эффективностью обработки жидкостей, имеющих различный состав и скорость течения, за счет обработки разнопеременным магнитным полем;

- простую конструкцию:

- оптимальные геометрические размеры кольцевых постоянных магнитов.

Внедрение заявляемого устройства запланировано в текущем году.

Изобретение относится к магнитной обработке жидкости и может использоваться для интенсификации различных технологических процессов во многих отраслях промышленности: химической, электротехнической, нефтяной, в теплоэнергетике, водоснабжении и т.п., например, для предотвращения накипи на поверхности нагрева теплообменных аппаратов, для магнитного обессоливания воды и ее активации, а также для очистки и осветления технологической и бытовой воды. Устройство содержит ферромагнитную трубу, установленные на ее внешней поверхности кольцевые постоянные магниты, охваченные герметично экраном. С торца каждого магнита установлены без зазора ферромагнитные кольца. Магниты установлены попарно одноименными полюсами друг к другу, труба выполнена из немагнитного материала. По оси трубы установлено спиралевидное тело. Геометрические размеры кольцевых постоянных магнитов и полюсных наконечников выбраны в зависимости от диаметра проходного сечения ферромагнитной трубы. Технический результат состоит в повышении эффективности магнитной обработки потока жидкости с любыми скоростями движения и любыми физико-химическими свойствами. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для магнитной обработки жидкости, преимущественно воды, содержащее трубу, на внешней поверхности которой установлены постоянные кольцевые магниты, охваченные герметично экраном, с торца каждого кольцевого магнита установлены без зазора ферромагнитные кольца, отличающееся тем, что экран и труба выполнены из немагнитного материала, кольцевые магниты установлены попарно одноименными полюсами друг к другу, ферромагнитные кольца установлены с обоих торцов кольцевых постоянных магнитов, образуя полюсные наконечники, причем геометрические размеры кольцевых магнитов и полюсных наконечников выбраны в зависимости от проходного диаметра немагнитной трубы, внутри которой по оси дополнительно установлено спиралевидное тело, изготовленное из немагнитного материала.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что геометрические размеры кольцевых постоянных магнитов и полюсных наконечников выбраны из следующих соотношений:

bпн=(0,25-0,35)Dпт,

bпм=(0,9-1,1)bпн,

Sтм=Dпт(60-80)/Br,

Dпн=0,95Dпм,

где Dпт - внутренний диаметр немагнитной трубы, мм;

bпн, bпм - толщина полюсного наконечника и постоянного магнита соответственно, мм;

Dпн, Dпм - внешний диаметр полюсного наконечника и постоянного магнита, мм;

Sтм - площадь торцевой поверхности постоянного магнита, мм²;

Br - остаточная индукция материала, из которого изготовлен постоянный магнит, Тл.