Устройство для очистки внутренней поверхности труб и теплообменного оборудования переменным магнитным полем Российский патент 2023 года по МПК B08B9/27 

Изобретение относится к ядерной и тепловой энергетике и предназначено для дезактивации и предотвращения выпадения радиоактивных отложений на поверхностях оборудования, отложений солей жесткости и продуктов коррозии на теплопередающих поверхностях трубопроводов и оборудования, а также для предотвращения биологического обрастания систем оборотного и технического водоснабжения.

Известно устройство обработки воды внутри труб, в котором электрические импульсы передаются через вторичную обмотку трансформатора и переменное сопротивление путем непосредственного контакта с трубопроводомили оборудованием (RU, патент №2421405 «Устройство обработки воды», кл. C02F 1/48, 2009 г.)

Данное техническое решение имеет существенный недостаток, связанный с тем, что защищаемое оборудование является непосредственной частью электронной схемы устройства. А поскольку указанное оборудование, в основном, изготавливается из металла (токопроводящего материала), то основная мощность полезных электромагнитных импульсов будет гаситься на переменном сопротивлении, так как остальной контур между точками присоединения можно считать короткозамкнутым.

Известно устройство для обработки жидкости радиочастотными сигналами, включающее генератор основной частоты, усилитель электромагнитных колебаний, магнитопровод, охватывающий по периметру трубопровод с жидкостью и одновременно являющийся магнитным сердечником (ЕР 0720588 B1. Snefanini Daniel. Method and apparatus for treating fluid with radio frequency signals, дата приоритета 25.09.1993 г., Великобритания, дата международной подачи 23.09.1994 г., PCT/GB 94/02078).

В известном техническом решении обработку жидкости в трубопроводе ведут затухающими синусоидальными электромагнитными импульсами, имеющими частоту 50-500 кГц со случайной частотой повторения, генерируемыми в первичной обмотке высокочастотного трансформатора, расположенной снаружи трубопровода, и передаваемыми через магнитопровод, который охватывает трубопровод и одновременно является сердечником первичной обмотки. Это приводит к генерированию в обрабатываемой жидкости электромагнитного поля, имеющего вектор магнитной индукции в виде круговых линий, перпендикулярных оси трубопровода, и вектор напряженности электрического поля вдоль оси до и после первичной обмотки трансформатора.

Недостатками известного устройства является то, что дальнодействие данного устройства, в зависимости от мощности, может составлять 200-700 м, но при сильной разветвленности трубопроводов (например, теплообменное оборудование) резко падает в десятки раз.

Кроме того, известное устройство имеет низкую эффективность в случае необходимости снятия уже существующих отложений на поверхности трубопроводов и оборудования. Даже неполная очистка от рыхлых отложений может занимать до 6 месяцев. Это связано с тем, что при случайной частоте повторяемости импульсов выше 1 кГц не происходит поляризационных эффектов на поверхностях, нет колебаний в двойном ионном слое существующих отложений и, соответственно, смыв происходит медленно.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для очистки внутренней поверхности труб и теплообменного оборудования переменным магнитным полем, включающее генератор основной частоты, работающий в диапазоне частот 30-1000 кГц, выход которого соединен с усилителем, выход усилителя в свою очередь соединен с катушкой индуктивности, генерирующей переменное магнитное поле, генератор модуляции амплитуды, работающий в диапазоне частот 1-500 Гц и соединенный через модулятор с усилителем, модулятор амплитуды основной частоты, выход которого также соединен с усилителем, магнитопровод, охватывающий по периметру трубопровод с жидкостью и одновременно являющийся магнитным сердечником катушки индуктивности (RU, патент №2723847, кл. В08В 9/027, 2019 г.).

Известное техническое решение имеет ряд недостатков. В первую очередь это связано с тем, что реальные рыхлые отложения очень сильно отличаются как по составу поверхности, так и по размерным характеристикам. Для каждого конкретного состава поверхности и размера частиц есть наиболее эффективный диапазон частот воздействия. Но поскольку в реальной ситуации частицы различные, то желательно чтобы и частоты были различные, а не жестко фиксированные, как в прототипе. Также и при профилактике биообрастания. При фиксированных частотах воздействия происходит постепенная адаптация биоты, и эффективность, хоть и не критично, но снижается.

Технический результат, на достижение которого направлено настоящее техническое решение, заключается в повышении эффективности дезактивации, очистки внутренней поверхности труб и теплообменного оборудования, а также профилактики биообрастания.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство для очистки внутренней поверхности труб и теплообменного оборудования переменным магнитным полем, включающее генератор основной частоты, работающий в диапазоне частот 30-1000 кГц, соединенный с входом усилителя, выход которого соединен с катушкой индуктивности, генерирующей переменное магнитное поле, генератор модуляции амплитуды, работающий в диапазоне частот 1-500 Гц и соединенный с входом модулятора, модулятор амплитуды основной частоты, выход которого также соединен с усилителем, магнитопровод, охватывающий по периметру трубопровод с жидкостью и одновременно являющийся магнитным сердечником катушки индуктивности, согласно изобретению, дополнительно снабжено генератором модуляции частоты модуляции амплитуды основной частоты и/или генератором модуляции основной частоты, при этом генератор модуляции частоты модуляции амплитуды основной частоты подключен к входу генератора модуляции амплитуды основной частоты и работает во всем диапазоне частот либо его части внутри диапазона 1-500 Гц, при этом частота модуляции частоты модуляции амплитуды основной частоты должна быть не менее, чем в 10 раз ниже нижнего значения диапазона модулируемых частот, а генератор модуляции основной частоты, подключен к входу генератора основной частоты, работающего во всем диапазоне частот либо его части внутри диапазона 30-1000 кГц, при этом частота модуляции основной частоты должна быть не менее, чем в 10 раз ниже нижнего значения диапазона модулируемых частот.

На фиг. 1 схематично изображено предложенное устройство для очистки внутренней поверхности труб и теплообменного оборудования переменным магнитным полем и графики изменения вида электромагнитных колебаний при работе различных генераторов. На графике А показаны электромагнитные колебания с дополнительно работающим генератором частоты модуляции основной частоты. При этом частота модуляции амплитуды остается постоянной, а меняется основная частота либо во всем диапазоне 30-1000 кГц, либо в выбранной его части. На графике Б показаны электромагнитные колебания с дополнительно работающим генератором модуляции частоты модуляции амплитуды основной частоты. При этом основная частота остается постоянной, а меняется (модулируется) частота модуляции амплитуды основной частоты либо во всем диапазоне 1-500 Гц, либо выбранной его части. На графике В показаны электромагнитные колебания при совместной работе обоих дополнительных генераторов. При этом меняется как основная частота, так и частота модуляции ее амплитуды. Форма электромагнитных колебаний основной частоты и частот модуляции может быть различной: синусоида, треугольник, меандр.

На фиг. 2 схематично изображено устройство, принятое нами в качестве ближайшего аналога.

Устройство для очистки внутренней поверхности труб и теплообменного оборудования переменным магнитным полем содержит генератор 1 основной частоты, выход которого соединен с усилителем 4 электромагнитных колебаний, генератор 2 частоты модуляции амплитуды, соединенный через модулятор амплитуды 3 с входом усилителя 4 электромагнитных колебаний, выход которого соединен с катушкой 5 индуктивности, магнитопровод 6, охватывающий по периметру трубопровод 7 с водным раствором и одновременно проходящий через катушку 5 индуктивности как ее сердечник. Предлагаемое устройство может содержать генератор 8 частоты модуляции основной частоты, соединенный с входом генератора 1 и генератор 9 модуляции частоты модуляции амплитуды электромагнитных колебаний, соединенный с входом генератора частоты модуляции амплитуды, выход которого соединен с входом модулятора 3.

Дополнительная модуляция (генераторы 8 и 9) может быть реализована как раздельно, а именно: или модуляция основной частоты или модуляция частоты модуляции амплитуды основной частоты, так и совместно.

Устройство работает следующим образом.

1. При совместной модуляции генераторов 8 и 9.

Генератор 1 основной частоты вырабатывает электромагнитные колебания с изменением этой частоты, задаваемой генератором 8, в диапазоне 30-1000 кГц или его части и передает их на вход усилителя 4. Форма электромагнитных импульсов может быть различной: синусоидальной, треугольной, в виде меандра. Частота модуляции генератора 8 не менее, чем в 10 раз ниже нижнего значения частоты работы генератора 1.

Модулятор 3 принимает управляющие электромагнитные колебания от генератора 2 модулирующей частоты, работающего в диапазоне 1-500 Гц или его части, который в свою очередь получает управляющий сигнал от генератора 9 модуляции частоты модуляции амплитуды основной частоты и формирует управляющий коэффициентом усиления сигнал (например, через напряжение питания) и предает его на усилитель 4 электромагнитных колебаний. Частота модуляции генератора 9 не менее, чем в 10 раз ниже нижнего значения частоты работы генератора модуляции 2.

Усилитель 4 усиливает электромагнитные колебания от генератора 1 по программе формируемой модулятором 3 и передает их на катушку индуктивности 5.

В катушке индуктивности 5 формируется переменное электромагнитное поле, передаваемое в магнитопровод 6 как сердечник. Магнитопровод 6 охватывает по периметру трубопровод 7 с водным раствором и передает на него переменное электромагнитное поле, при этом вектор магнитной индукции перпендикулярен оси трубопровода 7, а вектор напряженности электрического поля направлен вдоль этой же оси.

Частоты зависят от назначения устройства - дезактивирующее, противонакипное, для борьбы с биообрастанием, для снятия уже существующих отложений или как профилактика их образования. Форма управляющих колебаний - синусоида, треугольник.

2. При использовании одного генератора 8 (модуляция основной частоты) устройство работает следующим образом.

Генератор 1 основной частоты вырабатывает электромагнитные колебания с изменением их частоты, задаваемой генератором 8, в диапазоне 30-1000 кГц или его части, и передает их на вход усилителя 4. Форма электромагнитных импульсов может быть различной: синусоидальной, треугольной, в виде меандра. Частота модуляции генератора 8 не менее, чем в 10 раз ниже нижнего значения частоты работы генератора 1.

Модулятор 3 принимает управляющие электромагнитные колебания от генератора 2 модулирующей частоты заданной постоянной величины в диапазоне 1-500 Гц, формирует управляющий коэффициентом усиления сигнал (например, через напряжение питания) и предает его на усилитель 4 электромагнитных колебаний. Усилитель 4 усиливает электромагнитные колебания от генератора 1 по программе, формируемой модулятором 3, и передает их на катушку индуктивности 5.

В катушке индуктивности 5 формируется переменное электромагнитное поле, передаваемое в магнитопровод 6 как сердечник. Магнитопровод 6 охватывает по периметру трубопровод 7 с водным раствором и передает на него переменное электромагнитное поле, при этом вектор магнитной индукции перпендикулярен оси трубопровода 7, а вектор напряженности электрического поля направлен вдоль этой же оси.

2. При использовании одного генератора 9 (модуляция частоты модуляции амплитуды основной частоты) устройство работает следующим образом.

Генератор 1 основной частоты вырабатывает электромагнитные колебания заданной постоянной частоты в диапазоне 30-1000 кГц и передает их на вход усилителя 4. Форма электромагнитных импульсов может быть различной: синусоидальной, треугольной, в виде меандра.

Модулятор 3 принимает управляющие электромагнитные колебания от генератора 2 модулирующей частоты, работающего в диапазоне 1-500 Гц или его части, который, в свою очередь, получает управляющий сигнал от генератора 9 модуляции частоты модуляции амплитуды основной частоты, формирует управляющий коэффициентом усиления сигнал (например, через напряжение питания) и предает его на усилитель 4 электромагнитных колебаний. Частота модуляции генератора 9 не менее, чем в 10 раз ниже нижнего значения частоты работы генератора модуляции 2.

Усилитель 4 усиливает электромагнитные колебания от генератора 1 по программе, формируемой модулятором 3, и передает их на катушку индуктивности 5.

В катушке индуктивности 5 формируется переменное электромагнитное поле, передаваемое в магнитопровод 6 как сердечник. Магнитопровод 6 охватывает по периметру трубопровод 7 с водным раствором и передает на него переменное электромагнитное поле, при этом вектор магнитной индукции перпендикулярен оси трубопровода 7, а вектор напряженности электрического поля направлен вдоль этой же оси.

Устройство, принятое нами в качестве ближайшего аналога (фиг. 2), работает следующим образом.

Генератор 1 основной частоты вырабатывает электромагнитные колебания заданной постоянной частоты в диапазоне 30-1000 кГц и передает их на вход усилителя 4 электромагнитных колебаний, который их усиливает и передает на катушку индуктивности 5, через которую в качестве сердечника проходит магнитопровод 6, одновременно опоясывающий по периметру трубопровод 7 или оборудование. Генератор 2 модуляции амплитуды вырабатывает сигнал с постоянной частотой в диапазоне 1-500 Гц, который передается на вход модулятора 3, который формирует изменение амплитуды основной частоты в усилителе электромагнитных колебаний 4, например, изменением напряжения питания усилителя 4, при этом вектор магнитной индукции перпендикулярен оси трубопровода 7, а вектор напряженности электрического поля направлен вдоль этой же оси. Вид выходного сигнала приведен на фиг. 2.

Различие работы предложенного нами устройства для очистки внутренней поверхности труб и теплообменного оборудования переменным магнитным полем с работой устройства, принятого нами в качестве ближайшего аналога, состоит в подаче дополнительно модулированных электромагнитных колебаний на катушку индуктивности не только по амплитуде, но и по основной частоте и частоте модуляции амплитуды.

В известном устройстве электромагнитные импульсы имеют постоянную заданную основную частоту, в предлагаемом устройстве основная частота меняется в определенном диапазоне частот с задаваемой частотой изменения. В известном устройстве модуляция амплитуды основной частоты происходит с постоянной заданной частотой, а в предлагаемом устройстве частота модуляции так же меняется в задаваемом диапазоне.

В предложенном нами техническом решении дополнительная модуляция может быть реализована как раздельно - или модуляция основной частоты, или модуляция частоты модуляции амплитуды основной частоты, так и совместно. Реализация такого подхода позволяет более эффективно воздействовать на рыхлые отложения, состоящие из частиц различного состава и размеров, и, соответственно, ускорить их смыв с поверхности оборудования или трубопроводов, при этом препятствуя их осаждению.

Для биологических объектов изменение частот затрудняют их привыкание и, соответственно, увеличивают эффективность работы устройства в течение длительного времени.

Подаваемые электромагнитные колебания на катушку индуктивности всех вышеперечисленных вариантов имеют следующий вид (фиг. 1).

На графике А условно показаны электромагнитные колебания с дополнительно работающим генератором 8 частоты модуляции основной частоты. При этом частота модуляции амплитуды остается постоянной, а меняется основная частота либо во всем диапазоне 30-1000 кГц, либо в выбранной его части.

На графике Б условно показаны электромагнитные колебания с дополнительно работающим генератором 9 модуляции частоты модуляции амплитуды основной частоты. При этом основная частота остается постоянной, а меняется (модулируется) частота модуляции амплитуды основной частоты либо во всем диапазоне 1-500 Гц, либо в выбранной его части.

На графике В условно показаны электромагнитные колебания при совместной работе обоих дополнительных генераторов 8 и 9. При этом меняется как основная частота, так и частота модуляции ее амплитуды. Форма электромагнитных колебаний основной частоты и частот модуляции может быть различной: синусоида треугольник, меандр.

Предлагаемое нами техническое решение не имеет недостатков ближайшего аналога, так как все параметры электромагнитных колебаний изменяются в заданных пределах, что позволяет более эффективно воздействовать на больший диапазон частиц, а для биологических объектов предотвратить эффект привыкания или адаптации.

В предлагаемом нами техническом решении дальнодействие выше, чем у прототипа, на 20-30% в зависимости от условий эксплуатации.

Это связано, в первую очередь, с тем, что в прототипе устройство воздействует наиболее эффективно на определенный размер частиц. В реальных условиях эти размеры и состав поверхности частиц колеблется в значительных интервалах, при этом изменение частот и изменение амплитуды воздействует более эффективно на больший диапазон различных частиц. В предлагаемом техническом решении воздействие осуществляется постоянно с переменой всех параметров воздействия, что для биологических объектов уменьшает эффект привыкания.

Выбор частот модуляции не менее, чем в 10 раз ниже от нижнего значения рабочего диапазона обусловлен разбросом размеров частиц и изменением состава их поверхности.

Использование предложенного нами устройства для очистки внутренней поверхности труб и теплообменного оборудования переменным по всем параметрам магнитным полем позволяет улучшить радиационную обстановку на объектах использования атомной энергии, например, АЭС, что особенно важно при проведении ремонтных работ за счет уменьшения радиоактивных отложений на внутренних поверхностях оборудования и трубопроводов. Происходит предотвращение осаждения радиоактивных отложений, смыв уже существующих, а также удержание их в основном потоке теплоносителя с постепенным удалением на фильтрационных системах.

Данное техническое решение может использоваться на работающем оборудовании и, поскольку является безреагентным, позволяет существенно снизить количество образующихся на АЭС жидких радиоактивных отходов за счет отказа или уменьшения дезактиваций с использованием жидких реагентов. Кроме того, использование данного предложения позволяет предотвратить, а, при их наличии, удалить отложения солей жесткости, а также предотвратить биологическое обрастание оборудования в системах оборотного водоснабжения.

Данное техническое решение, как и прототип, может применяться на оборудовании и трубопроводах большого диаметра - более 1000 мм и до самых маленьких, при этом наибольший интерес представляют трубопроводы диаметром 150-500 мм.

Применение данного устройства на теплообменном оборудовании позволит более эффективно предотвращать выпадение солей жесткости на теплопередающих поверхностях и смыв уже существующих отложений после установки предлагаемого устройства, что приведет к улучшению теплофизических характеристик оборудования, а также к снижению специфических видов коррозии оборудования (подшламовой, язвенной, питтинговой).

В случае применения данного технического решения для предотвращения биообрастания систем технического водоснабжения эффективность работы достигается применением низких частот модуляции, отрицательно влияющих на жизнедеятельность биологических объектов, а их изменение в заданном диапазоне предотвратит эффект привыкания.

Таким образом, использование предложенного нами устройства для очистки внутренней поверхности труб и теплообменного оборудования переменным магнитным полем позволит повысить эффективность дезактивации, очистки внутренней поверхности труб и теплообменного оборудования от коррозионных отложений и солей жесткости, а также профилактики биообрастания.

Изобретение относится к устройству для очистки внутренней поверхности труб и теплообменного оборудования переменным магнитным полем. Техническим результатом является повышение эффективности очистки внутренней поверхности труб и теплообменного оборудования, а также профилактики биообрастания. Технический результат достигается предложенным устройством, которое включает генератор основной частоты, работающий в диапазоне частот 30-1000 кГц, выход которого соединен с усилителем, выход усилителя в свою очередь соединен с катушкой индуктивности, генерирующей переменное магнитное поле, генератор модуляции амплитуды, работающий в диапазоне частот 1-500 Гц и соединенный через модулятор с усилителем. Модулятор амплитуды основной частоты, выход которого также соединен с усилителем. Магнитопровод, охватывающий по периметру трубопровод с жидкостью и одновременно являющийся магнитным сердечником катушки индуктивности. При этом устройство дополнительно снабжено генератором модуляции частоты модуляции амплитуды основной частоты и/или генератором модуляции основной частоты. Причем генератор модуляции частоты модуляции амплитуды основной частоты подключен к входу генератора модуляции амплитуды основной частоты и работает во всем диапазоне частот либо его части внутри диапазона 1-500 Гц. При этом частота модуляции частоты модуляции амплитуды основной частоты должна быть не менее чем в 10 раз ниже нижнего значения диапазона модулируемых частот. Генератор модуляции основной частоты подключен к входу генератора основной частоты, работающего во всем диапазоне частот либо его части внутри диапазона 30-1000 кГц. При этом частота модуляции основной частоты должна быть не менее чем в 10 раз ниже нижнего значения диапазона модулируемых частот. 2 ил.

Устройство для очистки внутренней поверхности труб и теплообменного оборудования переменным магнитным полем, включающее генератор основной частоты, работающий в диапазоне частот 30-1000 кГц, выход которого соединен с усилителем, выход усилителя в свою очередь соединен с катушкой индуктивности, генерирующей переменное магнитное поле, генератор модуляции амплитуды, работающий в диапазоне частот 1-500 Гц и соединенный через модулятор с усилителем, модулятор амплитуды основной частоты, выход которого также соединен с усилителем, магнитопровод, охватывающий по периметру трубопровод с жидкостью и одновременно являющийся магнитным сердечником катушки индуктивности, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено генератором модуляции частоты модуляции амплитуды основной частоты и/или генератором модуляции основной частоты, при этом генератор модуляции частоты модуляции амплитуды основной частоты подключен к входу генератора модуляции амплитуды основной частоты и работает во всем диапазоне частот либо его части внутри диапазона 1-500 Гц, при этом частота модуляции частоты модуляции амплитуды основной частоты должна быть не менее чем в 10 раз ниже нижнего значения диапазона модулируемых частот, а генератор модуляции основной частоты подключен к входу генератора основной частоты, работающего во всем диапазоне частот либо его части внутри диапазона 30-1000 кГц, при этом частота модуляции основной частоты должна быть не менее чем в 10 раз ниже нижнего значения диапазона модулируемых частот.