Спосіб електромагнітної обробки рідини та пристрій для його здійснення

1 Спосіб електромагнітної обробки рідини, яка розміщена у баці, що має вигляд головної труби з ІЗОЛЯЦІЙНОГО матеріалу, і яка має форму ко роткозамкненого електричного ланцюга навколо магнітопроводу, розташованого всередині по осі бака, що полягає у створенні за допомогою робочих котушок із змінним струмом в осьовому напрямку магнітопроводу та бака змінного робочого магнітного поля, яке наводить ЕРС та струм у короткозамкненому електричному ланцюзі з рідини в баці, який відрізняється тим, що створюють додатковий змінний магнітний потік збудження з приблизно однаковим та перпендикулярним напрямком магнітних силових ЛІНІЙ у баці відносно осі та зовнішньої поверхні бака, причому додатковий змінний магнітний потік збудження зміщений по фазі відносно змінного робочого магнітного потоку 2 Пристрій для електромагнітної обробки рідини за способом п 1, який складається з бака у вигляді головної труби з ІЗОЛЯЦІЙНОГО матеріалу з призначеною для електромагнітної обробки електропровідною рідиною з іонами, яка має вигляд короткозамкненого електричного ланцюга навколо розміщеного по осі бака магнітопроводу зі створеним робочими котушками зі змінним струмом змін ним робочим магнітним потоком в осьовому напрямку бака та магнітопроводу, який відрізняється тим, що феромагнітна система складається з чотирьох послідовно з'єднаних частин, з яких перша та третя частини магнітопроводу кожна охоплені однаковими робочими котушками із співпадаючим по фазі змінним струмом, що призначені для створення у феромагнітній системі робочого магнітного потоку однакового напрямку, друга частина магнітопроводу розміщена між першою та третьою частинами магнітопроводу всередині бака по його осі, четверта частина магнітопроводу встановлена за межею зовнішньої поверхні бака, з'єднує першу та третю частини магнітопроводу і містить додатковий феромагнітний магнітопровід у вигляді труби (або и сектора), вісь якої співпадає за напрямком з віссю другої частини магнітопроводу та бака й всередині якої знаходиться бак з електропровідною рідиною сумісно з розміщеною у ньому другою частиною магнітопроводу, та має на додатковому феромагнітному магнітопроводі додаткову котушку збудження зі змінним струмом і зі зсувом по фазі відносно змінного струму робочих котушок, яка призначена для створення додаткового змінного магнітного потоку збудження з приблизно однаковим та перпендикулярним напрямком магнітних силових ЛІНІЙ у баці відносно осі та зовнішньої поверхні бака, або над провідниковий електромагніт, який має можливість обертатися зі синхронною частотою обертів відносно частоти струму робочих котушок на першій та третій частинах магнітопроводу та призначений для створення змінного магнітного потоку збудження, який має зсув по фазі відносно створеного робочими котушками змінного робочого магнітного потоку, причому вздовж осі бака встановлені виведені з бака три додаткові трубки, з яких середня додаткова трубка призначена для введення у бак призначеної для електромагнітної обробки електропровідної рідини, а дві ІНШІ додаткові трубки призначені одна - для виведення чистої рідини із зменшеною КІЛЬКІСТЮ ІОНІВ, інша - для виведення насиченої іонами рідини з бака О ю (О ю 56254 Галузь техніки, до якої належить винахід, є технічні засоби для електромагнітної обробки рідини Винахід може використовуватись, наприклад, у пристроях для очищення природних або стічних вод від ІОНІВ (від розчинених солей) для покращення екологічного стану, для опріснення води, для концентрації електролітів або концентрації розчинених солей (коли треба виділити солі з розчину) та ін У відомому способі та пристрої для електромагнітної обробки і знесолювання води [1] використовується дія змінних магнітних полів на воду Пристрій для електромагнітної обробки рідини складається з головної труби з електроізоляційного матеріалу, заповненої електропровідною рідиною, яка призначена для очищення від ІОНІВ Робоча котушка із змінним струмом, що намотана поверх головної труби, створює змінне робоче електромагнітне поле в осьовому напрямку головної труби Необроблена вода поступає у райони торців котушки по додатковій трубі меншого діаметру, розміщеній по центру головної труби з робочою котушкою Чиста вода забирається з середині головної труби, а насичена іонами оброблена вода забирається з торців головної труби [1] Недоліком цього способу та пристрою [1] є великий струм намагнічування, яким потрібно живити робочу котушку для створення потрібного робочого магнітного поля, що обумовлено повною відсутністю феромагнетиків у магнітній системі Відсутність феромагнетиків у магнітній системі також зменшує ефективність обробки води через зменшення робочого магнітного поля Найбільш близьким до запропонованого винаходу за сукупністю суттєвих ознак є прийнятий за прототип патент Сполучених Штатів Америки на спосіб та пристрій для електромагнітної обробки рідини [2], у якому пристрій для електромагнітної обробки складається з бака у вигляді головної труби з електроізоляційного матеріалу з призначеною для очищення від ІОНІВ електропровідною рідиною, яка охоплює у вигляді короткозамкненого кільця розміщений по ВІСІ головної труби магнітопровід, у якому за допомогою робочих котушок із змінним струмом створений змінний робочий магнітний потік в осьовому напрямку головної труби Цей змінний робочий магнітний потік створений двома електричними котушками, що розміщені на поверхні головної труби і мають зустрічно спрямовані перпендикулярні ВІСІ головної труби намагнічуючі сили змінного напрямку з частотою від 1 кГц до 1000МГц Рідина з іонами, яка потребує обробки, поступає з першого торця головної труби, проходить вздовж феромагнітного осердя з діючими на нього котушками Чиста рідина забирається з другого торця по ВІСІ головної труби через допоміжну трубу малого діаметру, а насичена іонами оброблена рідина забирається з того ж другого торця по діаметру внутрішньої поверхні головної труби [2] Причини, які перешкоджають одержанню очікуваного технічного результату у прототипі [2] (більш якісне очищення рідини від ІОНІВ при меншій вартості приладу) є великий неферомагнітний проміжок для робочих котушок із змінним струмом, які створюють змінний робочий магнітний потік у магнітопроводі в осьовому напрямку бака, необхідність використовувати підвищену частоту (від 1 кГц до 1000МГц) змінного струму у робочих котушках із змінним струмом та наявність двох робочих котушок із змінним струмом при зустрічному напрямку дії їх намагнічуючих сил Недоліками прийнятих за прототипи способу та пристрою патенту США [2] є - великий струм намагнічування, яким потрібно живити дві робочі котушки для створення потрібного змінного робочого магнітного поля, що обумовлено великим неферомагнітним проміжком Це призводить до додаткових електричних втрат у робочих котушках із змінним струмом, до збільшення їх габаритів, ослаблення ефективності роботи, збільшення витрат на електричну енергію та збільшення потужності потрібного високочастотного джерела електроенергії, - використання більш коштовної нестандартної високочастотної електричної енергії живлення В основу передбачуваного винаходу поставлено задачу удосконалення патенту США [2] шляхом - створення магнітної системи з меншим магнітним опором для проходження змінного робочого магнітного потоку, що забезпечує більшу ефективність роботи за рахунок збільшення робочого магнітного потоку та зменшення електричних втрат, маси та габаритів робочої котушки, - створення окремого магнітного потоку збудження, що забезпечує зменшення частоти живлення робочих котушок до стандартної частоти 50 Гц Загальні суттєві ознаки запропонованого способу електромагнітної обробки рідини, які співпадають з суттєвими ознаками способу прототипу [2] по електромагнітній обробці рідини, яка розміщена у баці, що має вигляд головної труби з електроізоляційного матеріалу, і яка має форму короткозамкненого електричного ланцюга навколо магнітопроводу, розташованого всередині по ВІСІ бака, полягають у створенні за допомогою робочих котушок із змінним струмом в осьовому напрямку магнітопроводу та бака змінного робочого магнітного поля, яке наводить ЕРС та струм в короткозамкненому електричному ланцюзі з рідини в баці Суттєві ознаки запропонованого способу електромагнітної обробки рідини, що є достатніми у всіх випадках і характеризують запропонований винахід на відміну від прототипу, полягають у тому, що створюють додатковий змінний магнітний потік збудження з приблизно однаковим та перпендикулярним напрямком магнітних силових ЛІНІЙ у баці відносно осі та зовнішньої поверхні бака, причому додатковий змінний магнітний потік збудження зміщений по фазі відносно змінного робочого магнітного потоку Загальні суттєві ознаки запропонованого пристрою для електромагнітної обробки рідини, які співпадають з суттєвими ознаками пристрою прототипу, полягають у тому, що пристрій складається з бака у вигляді головної труби з електроізоляційного матеріалу з призначеною для електромагнітної обробки електропровідною ріди 56254 ною з іонами, яка має вигляд короткозамкненого електричного ланцюга навколо розміщеного по ВІСІ бака магнітопроводу зі створеним робочими котушками зі змінним струмом змінним робочим магнітним потоком в осьовому напрямку бака та магнітопроводу Суттєві ознаки запропонованого пристрою для електромагнітної обробки рідини, що є достатніми у всіх випадках і характеризують запропонований винахід на відміну від пристрою прототипу, полягають у тому, що феромагнітна система складається з чотирьох послідовно з'єднаних частин, з яких перша та третя частини магнітопроводу кожна охоплені однаковими робочими котушками із співпадаючим по фазі змінним струмом, що призначені для створення у магнітопроводі робочого магнітного потоку однакового напрямку, друга частина магнітопроводу розміщена між першою та третьою частинами магнітопроводу у середині бака по його ВІСІ, четверта частина магнітопроводу встановлена за межею зовнішньої поверхні бака, з'єднує першу та третю частини магнітопроводу і вміщує додатковий феромагнітний магнітопровід у вигляді труби (або и сектора), вісь якої співпадає за напрямком з віссю другої частини магнітопроводу та бака і всередині якої знаходиться бак з електропровідною рідиною сумісно з розміщеною в ньому другою частиною магнітопроводу, та має на додатковому феромагнітному магнітопроводі додаткову котушку збудження зі змінним струмом та із зсувом по фазі відносно змінного струму робочих котушок, яка призначена для створення додаткового змінного магнітного потоку збудження з приблизно однаковим та перпендикулярним напрямком магнітних силових ЛІНІЙ у баці відносно ВІСІ та зовнішньої поверхні бака, або надпровідниковий електромагніт, який має можливість обертатися зі синхронною частотою обертів відносно частоти струму робочих котушок на першій та третій частинах магнітопроводу та призначений для створення змінного магнітного потоку збудження, який має зсув по фазі відносно створеного робочими котушками змінного робочого магнітного потоку, причому вздовж ВІСІ бака встановлені виведені з бака три додаткові трубки, з яких середня додаткова трубка призначена для введення у бак призначеної для електромагнітної обробки електропроводної рідини, а дві ІНШІ додаткові трубки призначені одна - для виведення чистої рідини із зменшеною КІЛЬКІСТЮ ІОНІВ, а інша - для виведення насиченої іонами рідини Передбачувані спосіб та пристрій ілюструються малюнками, на яких наведено Фіг 1 - Конструкція пристрою з котушкою збудження Фіг 2 - Конструкція пристрою з надпровідниковим електромагнітом На Фіг 1 позначені - бак 1 у вигляді головної труби з електроізоляційного матеріалу з призначеною для електромагнітної обробки рідиною 2 (електромагнітна обробка полягає в очищенні рідини від ІОНІВ), - феромагнітна система з чотирьох послідовно з'єднаних частин першої частини магнітопроводу З, другої частини магнітопроводу 4, третьої частини магнітопроводу 5, четвертої частини магніто проводу 6, з яких перша та третя частини магнітопроводу кожна охоплені однаковими робочими котушками 7 та 8 із співпадаючим по фазі змінним струмом, що призначені для створення у феромагнітній системі робочого магнітного потоку однакового напрямку Друга частина магнітопроводу розміщена між першою та третьою частинами магнітопроводу у середині бака по його ВІСІ так, що електропровідна рідина має вигляд короткозамкненого електричного ланцюга навколо неї Четверта частина магнітопроводу встановлена за межею зовнішньої поверхні бака і з'єднує першу та третю частини магнітопроводу, - додатковий феромагнітний магнітопровід у вигляді труби 9 (або її сектора), вісь якої співпадає по напрямку з віссю другої частини магнітопроводу та бака і всередині якої знаходиться бак з призначеною для електромагнітної обробки електропровідною рідиною з іонами сумісно з розміщеною в ньому другою частиною магнітопроводу Додатковий феромагнітний магнітопровід має додаткову котушку збудження 10 зі змінним струмом із зсувом по фазі відносно змінного струму робочих котушок, яка призначена для створення додаткового змінного магнітного потоку збудження з приблизно однаковим напрямком магнітних силових ЛІНІЙ у баці відносно ВІСІ та зовнішньої поверхні бака та приблизно перпендикулярним напрямку магнітних силових ЛІНІЙ робочого магнітного потоку в другій частині магнітопроводу, - виведені з бака вздовж його ВІСІ три додаткові трубки 11, 12, 13, з яких середня додаткова трубка призначена для введення у бак призначеної для електромагнітної обробки електропровідної рідини з іонами, а дві ІНШІ додаткові трубки призначені одна - для виведення чистої рідини із зменшеною КІЛЬКІСТЮ ІОНІВ, а інша - для виведення насиченої іонами рідини На Фіг 2 позначені - пристрій для електромагнітної обробки рідини з іонами, який складається з елементів 1, 2, З, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 11, 12, 13 однакових з Фіг 1, - надпровідниковий електромагніт 14, який має можливість обертатись з синхронною частотою обертів відносно частоти струму робочих котушок та призначений для створення змінного магнітного потоку збудження, який має зсув по фазі відносно створеного робочими котушками змінного робочого магнітного потоку Пристрій, який показаний на Фіг 1, працює таким чином Однакові робочі котушки із змінним струмом 7 та 8 створюють у магнітній системі (з частин магнітопроводів 3, 4, 5, 6) змінне робоче магнітне поле Під ДІЄЮ ЦЬОГО ЗМІННОГО робочого магнітного поля в електропровідній рідині з іонами 2, яка розміщена у баці 1 і яка створює короткозамкнений електричний ланцюг навколо другої частини магнітопровода 4, наводиться ЕРС і протікає змінний струм Цей короткозамкнений електричний ланцюг з рідини 2 із змінним струмом знаходиться у зовнішньому змінному магнітному полі збудження, яке проходить по рідині і створюється додатковою котушкою збудження 10 зі змінним струмом і з зсувом по фазі відносно змінного струму робочих котушок 7 та 8 Цей магнітний потік збудження має напрямок магнітних силових ЛІНІЙ у баці 1 прибли 56254 зно перпендикулярний ВІСІ та ЗОВНІШНІЙ поверхні бака 1 та приблизно перпендикулярний напрямку магнітних силових ЛІНІЙ робочого магнітного поля в другій частині магнітопроводу 4 Для збільшення магнітного поля збудження у баці 1 використовується додатковий феромагнітний магнітопровід у вигляді труби 9 (або її сектора), що охоплює бак 1 з електропровідною рідиною 2 сумісно з розміщеною в баці другою частиною магнітопроводу 4 Цей додатковий феромагнітний магнітопровід у вигляді труби 9 повинен не створювати короткозамкненого електричного ланцюга навколо другої частини магнітопроводу 4, для чого він повинен бути виконаним або з феромагнетику (тобто мати великий електричний опір), або повинен мати ізолюючий розтин вдовж його твірної Згідно закону Ампера на провідник зі струмом у магнітному полі діє сила, яка може викликати переміщення провідника В даному випадку таким провідником зі змінним струмом є короткозамкнений електричний ланцюг з ІОНІВ у електропроводній рідині 2 навколо другої частини магнітопроводу 4, а взаємодія цього ланцюга зі змінним струмом з магнітним полем збудження котушки 10 (яке проходить через рідину 2) і призводить до переміщення ІОНІВ у рідині вздовж ВІСІ бака 1 Частота змінного струму у робочій котушці запропонованого винаходу, на відміну від існуючих приладів [ 1 , 2] може бути стандартною, наприклад 50Гц Пояснюється це таким чином ЕРС у короткозамкненому електричному ланцюзі з рідини з іонами дорівнює ПОХІДНІЙ ПО часу від робочого магнітного потоку Ф (який проходить по другій частині магнітопроводу 4) і зміщена по фазі на 90 електричних градусів відносно цього потоку Якщо робочий магнітний потік Ф другої частини магнітопроводу 4, який створюється робочими котушками 7 та 8, змінюється у часі за синусоїдальним законом Ф = Фм sin cot, (1) де Фм - амплітуда робочого магнітного потоку, со - циклічна частота, t - час, то ЕРС у короткозамкненому електричному ланцюзі з рідини з іонами змінюється із зсувом на 90 електричних градусів відносно робочого магнітного поля згідно з формулою Е = -dO/dt = Ем sin (cot - ті/2), (2) де Ем - амплітуда ЕРС Струм у короткозамкненому електричному ланцюзі з рідини з іонами змінюється згідно з формулою І = їм sin (cot - л/2 - ф), (3) де tgcp = coL/R, R - активний електричний опір електричного ланцюга з рідини з іонами, L - індуктивність розсіяння електричного ланцюга з рідини з іонами, Ф - зсув по фазі струму І відносно ЕРС Е, їм - амплітуда струму Внаслідок того, що опір R рідини з іонами великий відносно індуктивності L, можна вважати, що при низькій ЦИКЛІЧНІЙ частоті со зсув по фазі ф = 0 Припустимо, що змінний струм намагнічування у додатковій котушці збудження 10 зсунутий 8 по фазі відносно змінного струму намагнічування робочих котушок 7 та 8 на кут ± ті/2, тобто у рідині з іонами 2 магнітна індукція збудження змінюється у часі за формулою В = B M s m (cot ±/2), (4) де Вм - амплітуда магнітної індукції збудження Згідно закону Ампера, сила, яка діє на провідник зі струмом у магнітному полі, дорівнює при (ф = 0) F = В І І_п = L n В м sin (cot ± я/2) І м sin (cot - ті/2) (5) де Ln - довжина короткозамкненого електричного ланцюга з рідини з іонами З формули (5) видно, що (при визначеному зсуві по фазі магнітної індукції збудження) короткозамкнений ланцюг з рідини з іонами буде штовхатися вздовж ВІСІ бака 1 лише в один бік в напрямку або робочої котушки 7 або робочої котушки 8, бо зміни знаку (тобто зміни напрямку дії) сили F у часі немає Напрямок сили F залежить від зсуву по фазі змінного струму у додатковій котушці збудження 10 відносно змінного струму робочих котушок 7 та 8 Бажано, щоб цей зсув дорівнював ± ті/2 Таким чином, ми бачимо, що частота змінного електричного струму не впливає на роботу пристрою, тобто можна використовувати, наприклад, стандартну частоту 50Гц Необхідність у збільшенні частоти порівняно зі стандартною частотою може виникнути лише у випадках, коли до одного витка (до короткозамкненого ланцюга з електропроводної рідини з іонами) потрібно прикласти більш високу напругу з метою отримання більшого струму і ВІДПОВІДНО більш якісної очистки, що зручніше виконувати на підвищеній частоті Така електромагнітна обробка може використовуватись для очищення рідини зі збільшеним електричним опором Розглянутий процес використовується для розділення води на чисту і насичену іонами При визначеній величині зсуву по фазі більш електропровідна вода з іонами підіймається наверх у район першої додаткової трубки 11 і виходить з бака Тим часом чиста вода із зменшеною КІЛЬКІСТЮ ІОНІВ майже не має протікаючих струмів, залишається унизу в районі третьої додаткової трубки 13 і теж виходить з бака через додаткову трубку 13 По додатковій трубці 12 у бак 1 безперервно поступає вода, призначена для електромагнітної обробки (очищення від ІОНІВ) Маса води, що поступає у бак 1 через другу додаткову трубку 12, дорівнює масі води, що виходить з бака 1 через першу додаткову трубку 11 та третю додаткову трубку 13 Пристрій, який показаний на Фіг 2, працює таким же чином, тільки магнітну індукцію збудження згідно формули (4) отримують за допомогою надпровідникового електромагніта 14, який має можливість обертатися із синхронною частотою обертів відносно частоти струму робочих котушок 7 і 8 та призначений для створення змінного магнітного потоку збудження, що має зсув по фазі відносно створеного робочими котушками 7 та 8 змінного робочого магнітного потоку Використання у запропонованому винаході замкненої магнітної системи та магнітного потоку збудження (зсунутого по фазі відносно робочого магнітного потоку) дозволяє 56254 1) зменшити струм намагнічування, електричні втрати та габарити робочої котушки із змінним струмом за рахунок наявності замкненої магнітної системи з меншим магнітним опором, 2) підвищити ефективність роботи пристрою за рахунок збільшення величини сили F, яка впливає на переміщення ІОНІВ у рідині Це збільшення сили F за законом Ампера отримується - за рахунок збільшення величини струму І в електропровідній рідині з іонами, що пояснюється збільшенням робочого магнітного потоку, який створює у рідині ЕРС Е і яка, у свою чергу, викликає протікання у рідині змінного струму І, - за рахунок більшого наближення зсуву фази магнітного потоку збудження до величини ± ті/2 відносно струму у рідині порівняно з існуючими пристроями, - за рахунок збільшення величини магнітного потоку збудження у порівнянні з прототипом, у якому магнітний потік збудження є лише часткою робочого магнітного потоку, бо він є потоком розсіяння робочого магнітного потоку, 3) через зміну принципу дії пристрою використовувати джерело живлення з меншою частотою (у тому числі - із стандартною частотою 50Гц) за10 9 8 7 10 мість високочастотного джерела живлення з частотою від 1 кГц до ЮООМГц у прототипі Використана інформація 1 Патент Франции № 2629447, C02F 1/48, 07 10 89 Способ и устройство для очистки и/или деминерализации и/или кондиционирования и/или обессоливания минерализованных жидкостей 2 Патент США № 4865747, C02F 1/48, 12 09 89 Способ и устройство для электромагнитной обработки текучей среды 3 Магнитодинамические насосы для жидких металлов —Киев Наукова думка, 1989 4 Опреснение воды / Кульский Л А , Гребенюк В Д , Колосов ВН и др — Киев Наукова думка, 1980 5 Патент США № 4631133, НКИ 210-739, МКИ C02F 1/02, 23 12 86 Способ и устройство для очистки сточных вод с помощью СВЧ-энергии 6 Кульский Л А Теоретические основы и технология кондиционирования воды — Киев Наукова думка, 1983 7 Кульский Л А Технология очистки природных вод — Киев Наукова думка, 1986 14 6 \ 9 8 \ 7 \ 9-гі Підписано до друку 05 06 2003 р Тираж 39 прим ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)236-47-24 6 \