Пристрій для магнітної обробки рідких середовищ

Пристрій для магнітної обробки рідких середовищ, який містить циліндровий діамагнітний корпус з вхідним і вихідним патрубками і магнітну C2 2 (19) 1 3 Відомий апарат для магнітної обробки рідини, що містить корпус з діамагнітного матеріалу, магнітні шайби, встановлені на відстані один від одного на валу з приводом, вхідний і вихідний патрубки, осі яких розташовані перпендикулярно осі валу і в одній площині з нею, дві направляючі пластини, виконані з виступами на одній з кромок і встановлені в одній площині з віссю валу і магнітопроводами, виконаними у вигляді стрижнів, встановлених перпендикулярно площині направляючих пластин, при цьому виступи пластин і магнітопроводи розташовані між магнітними шайбами, а вхідний і вихідний патрубки розташовані співісно (а.с. 912665 СРСР, опубл. 15.03.1982). Виконання патрубків співісними спрощує підключення апарату до водопроводу, проте ускладнення і відповідно подорожчання апарату непорівняно з ефектом, що досягається, оскільки не детерміновані конструктивні особливості, фізичні механізми і властивості оброблюваної рідини, тобто конструкція апарату не відповідає критеріям функціонально-вартісного аналізу, зокрема не забезпечується функціонування апарату в трубопровідних системах з малою швидкістю перебігу рідини і крім того апарат малоефективний при обробці середовищ з високим значенням кінематичної в'язкості. Найближчим по технічній суті і по результату, що досягається, до винаходу, що заявляється (прототипом), є пристрій для обробки водних систем, що містить діамагнітний циліндровий корпус з вхідним і вихідним патрубками, розташовану усередині нього магнітну систему, що складається з кільцевих постійних магнітів, розділених розміщеними концентрично останнім шайбами з магнітом'якого матеріалу, звернених один до одного однойменними полюсами, при цьому кільцеві магніти виконані різними по висоті із співвідношенням висот 1:5 і встановлені по довжині апарату в чергуючому порядку, при цьому у вхідний і вихідний частинах корпусу розташовані магніти з меншою висотою (а.с. 1346584 СРСР, опубл. 23.10.1987). Істотним недоліком вказаного технічного рішення є те, що, оскільки трубопровідний канал пристрою утворений внутрішніми циліндровими поверхнями кільцевих магнітів і шайб, то неминуче осадження на них твердих частинок (особливо феромагнітних) оброблюваного водного розчину вимушує періодично здійснювати очищення магнітів і шайб, для чого необхідне розбирання пристрою. Тим часом, щоб уникнути витоків оброблюваної рідини в щілисті зазори магнітів і шайб останні повинні бути надійно склеєні. Можливе і пошкодження магнітів при розбиранні: всі існуючі магніти - від альніко до неодим-залізо-бор - достатньо крихкі. Всі ці обставини обумовлюють низьку надійність пристрою. Крім того, магнітні системи із зустрічним розташуванням однойменних полюсів магнітів, зв'язаних шунтуючими прокладками, неефективні (напр. www.ansoft.com) в сенсі ефективності використання запасеної магнітної енергії і значень напруженості магнітного поля, що досягаються на периферії такої комбінації магнітів. Зустрічне з'єднання малорозмірного і великорозмірного магнітів при 93746 4 водить до значного зниження індукції магнітного поля в околиці малорозмірного (тобто з низьким значенням запасеної магнітної енергії) магніту і розмагнічування останнього, так що низькі значення індукції магнітного поля в об'ємі оброблюваного середовища не дозволяють здійснити ефективну магнітну обробку навіть при використанні магнітів з високоенергетичних матеріалів. Невисока ефективність обробки в пристрої-прототипі обумовлена і рівномірним профілем розподілу швидкості оброблюваного середовища, особливо при малих швидкостях руху. В основу винаходу, що заявляється, поставлена задача підвищення надійності пристрою і ефективності магнітної обробки рідких середовищ за рахунок оптимізації магнітної системи і зміни гідродинамічних властивостей оброблюваного середовища в зоні дії магнітного поля. Поставлена задача розв'язується тим, що в пристрої для обробки водних систем, що містить циліндровий діамагнітний корпус з вхідним і вихідним патрубками і магнітну систему, що складається з кільцевих постійних магнітів, згідно винаходу додатково введені пружні елементи з феромагнітного матеріалу, виконані у вигляді першої і другої конусних пружин, розміщених вісесиметрично послідовно одна за одною в циліндровому корпусі, при цьому основи обох конусних пружин звернені до вхідного патрубка і закріпленіостанніми витками на корпусі, а вершини звернені до вихідного патрубка, причому вершина першої конусної пружини частково входить в простір другої конусної пружини, а магнітна система виконана з чергуючих один за одним кільцевих магнітів двох типів з різновеликими внутрішніми діаметрами, розміщуваних зовні корпусу, розділених діелектричними вкладишами і звернених один до одного різнойменними полюсами, при цьому висота кожного діелектричного вкладиша не перевищує висоту кільцевого магніту, менший діаметр Дм1 кожного з кільцевих магнітів двох типів рівний зовнішньому діаметру циліндрового корпусу, а більший діаметр Дм2=(1,2-1,25)Д1, при цьому магнітна система зовні охоплена герметичним екраном. Виконання магнітної системи у вигляді окремих магнітів, розділених діелектричними вкладишами і звернених один до одного різнойменними полюсами (злагоджене включення - по загальноприйнятій термінології: www.ansoft.com) на відстанях один від одного, сумірних з подовжніми розмірами кільцевих магнітів, дозволяє зберегти власну структуру кільцевого магніту і забезпечити дію багато векторним магнітним полем, напрям силових ліній (векторів індукції) якого укладений в інтервалі кутів 0-900 щодо нормально орієнтованої до потоку оброблюваного середовища компоненти. При дії на гідродисперсні середовища це дозволяє здійснити ефективну взаємодію магнітного поля з середовищами з широким набором структурних мікронеоднорідностей оброблюваного середовища - кластерів, гідродисперсних структур, клатратів, гідратних оболонок з різним числом гідратації, ротаторів і т.д., що мають різну просторову орієнтацію, різноманітні форми і розміри. 5 Використання кільцевих магнітів з різновеликими внутрішніми діаметрами створює градієнтне магнітне поле у напрямі потоку оброблюваного середовища, і таке збільшення числа параметрів магнітного поля підвищує ефективність дії на середовища, у тому числі при значних варіаціях її гідродинамічних характеристик. Наявність в потоці оброблюваного середовища конусних пружин з феромагнітного матеріалу, що знаходяться в магнітних полях кільцевих магнітів, по-перше, сприяє осьовому закручуванню потоку, перетворенню ламінарного руху в турбулентний, і за рахунок значної турбулентності і приросту швидкості відповідно до існуючих уявлень про механізми магнітної обробки підвищує її ефективність, і, по-друге, створює додаткову магнітну систему з складною поляризаційною структурою індукованих магнітних полів, що дозволяє збільшити кількість структурних мікронеоднорідностей, взаємодіючих з магнітним полем. При цьому під впливом потоку оброблюваного воднодисперсного середовища пружини вчинюють складні коливальні рухи, переважно подовжні (уздовж осі корпусу), породжуючи таким чином змінну в часі компоненту магнітного поля, причому, оскільки конічні пружини частково перекриваються (входячи одна в одну), то в області перекриття створюються широкосмугові потоки електромагнітного поля з різноманітними енергетичними і поляризаційними характеристиками. Висока суцільність спектру породжуваних електромагнітних полів, що досягається при відповідній конструкції пружин, дозволяє забезпечити відтворюваність результатів магнітної обробки рідини навіть у випадках непостійності швидкості рідини в трубопроводі і при обробці середовищ з різноманітними значеннями динамічної і кінематичної в'язкості. Одночасно відбувається додаткова гомогенізація середовища, що покращує параметри багатокомпонентних рідин і таким чином розширює функціональні можливості. Крім того, при обтіканні рідиною конусних пружин на витках останніх за рахунок трибоелектричного ефекту індукуються електричні заряди, причому унаслідок істотної відмінності в густині матеріалу пружин (металу) і рідини електричний заряд, що наводиться, значний, так що в певному діапазоні значень швидкостей може реалізовуватися і електричне знезараження водно-дисперсних середовищ. А виконання конусних пружин з лівим або правим закрученням, що породжують вихрові мікропотоки рідини лівого чи правого напрямів, дозволить використовувати просторову і зарядну асиметрію молекул або їх агрегацій (хіральність [Кинг. Р. Химические приложения топологии графов. -М.: Мир, 1987. - С.47-52]) і істотно змінити фізико-хімічні властивості оброблюваного середовища. На Фіг. зображено пристрій, що заявляється, подовжній розріз. Пристрій містить циліндровий корпус 1 з немагнітного матеріалу з вхідним патрубком 2 і вихідним патрубком 3, усередині якого розміщені конусоподібні пружини 4 і 5 з феромагнітного матеріалу, що своїми останніми витками закріплені на бічних стінках корпусу 1 за допомо 93746 6 гою вузлів кріплення 6 (наприклад, у вигляді дротяного кільця з вушками). На зовнішній бічній поверхні корпуса розміщені кільцеві магніти 7 і 8, що звернені один до одного різнойменними полюсами і розділені діелектричними вкладишами 9, при цьому магніти 8 з більшим внутрішнім діаметром утримуються на корпусі за допомогою діелектричних ущільнювачів 10. Зовні магнітна система охоплена герметичним екраном 11. Пристрій функціонує таким чином. Рідке середовище, що підлягає магнітній обробці, через вхідний патрубок 2 вводиться в корпус 1, який є частиною трубопроводу, і при проходженні протяжного простору корпусу піддається дії магнітних полів, створюваних кільцевими магнітами 7, 8, з різною напруженістю через різновіддаленість внутрішніх діаметрів магнітів від потоку оброблюваного середовища, при цьому в просторі оброблюваного середовища створюються магнітні поля, що мають в своєму складі нормальну і подовжню компоненти і компоненти індукції з векторами, що лежать в інтервалі кутів 0-90° по відношенню до нормальної компоненти, так що магнітній обробці ефективно піддаються мікропотоки рідини всіх орієнтацій при її турбулентному характері руху, викликаному збурювальною дією конічних пружин на ламінарний потік рідини. Рідина також піддається дії магнітних полів, що наводяться в спіралях пружин 4 і 5, виготовлених з феромагнітних матеріалів. Омагнічена вода із зміненими фізико-хімічними властивостями витікає через вихідний патрубок у вузол збору споживача або може бути направлена в трубопровід для використання в різних технологічних процесах. Злагоджене включення кільцевих магнітів в послідовності (сусідні магніти зв'язані своїми різнойменними полюсами) забезпечує жорсткість конструкції магнітної системи унаслідок взаємного тяжіння і тривалий термін експлуатації магнітів завдяки усуненню взаємного розмагнічування, що виникає неминуче при зустрічному (неузгодженому) їх включенні. Сучасні методи аналізу автоколивальних механічних систем з пружними елементами у в'язких середовищах дозволяють провести розрахунок конусних пружин (з вказівкою жорсткості матеріалу пружин, діаметру дротів, числа витків, кута розкриття) з тим, щоб у визначуваному інтервалі швидкостей потоку забезпечити резонансну механічну дію на оброблюване середовище, тобто досягти максимальної турбулізації середовища. Причому, оскільки конусні пружини в пристрої частково перекриваються, то дві конусні пружини як автоколивальні системи з різними резонансними частотами, що зв'язані за допомогою пружного середовища, представляють багаточастотну систему, в якій окрім парціальних частот утворюються і частоти зв'язку, що лежать як вище, так і нижче за парціальні частоти. Наявність такої збурювальної системи в потоці оброблюваного середовища дозволяє здійснити додаткову гомогенізацію складних середовищ, наприклад, розчинів кислот у воді - електролітів - як компонентів в технологічних процесах у виробництві свинцево-кислотних акумуляторів, що використовуються в різних техніч 7 них пристроях, наприклад, в якості електроенергетичних накопичувальних пристроїв у вітросонячних енергоустановках, що інтенсивно розвиваються, або в транспортних засобах спеціального призначення (наприклад, магнітолевітуючих), де вимоги до параметрів джерел електричного струму є достатньо жорсткими і потребують додаткових зусиль для їх вдосконалення. Жорсткими є і вимоги до фізико-механічних властивостей бетонів, що використовуються при побудові естакад високошвидкісних магнітолевітуючих транспортних засобів з електродинамічним підвісом (Дзензерский В.А. Высокоскоростной магнитный транспорт с электродинамической левитацией. - Київ: Наукова думка, 2001. - 479с.), де недостатня жорсткість бетонної основи приводить до втрати стійкості руху транспортного засобу. Запропонований пристрій для магнітної обробки рідких середовищ має значний потенціал для розвитку: розміщення магнітної системи на зовнішній стороні корпусу (а не всередині, як в пристрої-прототипі і в .технічних рішеннях по а.с. СРСР №№912666, 1511215, 1534965 і ін.) стало можливим тому, що останніми роками в передових в технологічному відношенні країнах (SSMS Co. (Японія), Crusible Inc. (США), Siemens (Німеччина), Walker-Hagou B.V. (Нідерланди), ТНО (Нідерланди), АОЗТ «Експромаг», м. Дніпродзержинськ, Науково-виробнича фірма «Полюс-Н», м. Харків, Дослідне виробництво Інституту фізичної хімії НАН України, м. Київ, та інш. (Україна)) здійснено виробництво високоенергетичних постійних магнітів четвертого (після магнітів системи альніко, феритових і самарій-кобальтових) покоління - магнітів системи неодим-залізо-бор, основні параметри яких (індукція, коерцитивна сила, запасена енергія) на порядок перевершують феритові магніти, які традиційно використовуються в апаратах для магнітної обробки різних середовищ. При цьому українські виробники магнітів системи неодимзалізо-бор здійснили виробництво магнітів найрізноманітніших форм і розмірів, у тому числі можливе виготовлення магнітів по індивідуальному замовленню. Сприятливою обставиною є і те, що в АОЗТ «Експромаг» (м. Дніпродзержинськ Дніпропетровської обл.) розроблено новий магнітний матеріал, іменований «дидим-залізо-бор», в якому здійснена заміна чистому рідкоземельному металу неодиму, отримання якого надзвичайно дороге. Дидим є однією з природних сумішей легких, середніх і важких рідкоземельних металів, включаючи неодим, празеодим, самарій і деякі інші, будучи частиною промислових відходів Придніпровського хімічного заводу (що раніше входив до складу Мі 93746 8 ністерства середнього машинобудування СРСР), у зв'язку з чим вартість вироблюваних АОЗТ «Експромаг» магнітів істотно нижче, в порівнянні з вартістю аналогічної по технічним параметрам (індукції, коерцитивній силі, запасеній енергії) продукції на інших підприємствах, а по температурній стабільності він навіть перевершує. Випробування розроблених експериментальних зразків пристроїв з використанням магнітів системи «дидим-залізо-бор» виробництва АОЗТ «Експромаг» з параметрами: індукція - 11,5KG, коерцитивна сила- 18,0кОе, енергія - 40MGOe продемонстрували продуктивність декларованих винаходом, що заявляється, ознак. Так, у виробництві свинцево-кислотних акумуляторів обробка електроліту - водного розчину сірчаної кислоти стандартної густини значно змінила такий стандартний показник як змочуваність і в меншій мірі електропровідність. Використання омагніченого розчину при приготуванні активної маси позитивного електроду малогабаритних акумуляторних батарей 6СТ-38, 6СТ-40, 6СТ-45 виробництва Міжнародної науково-виробничої корпорації «ВЕСТА» (м. Дніпропетровськ) приводило до істотної зміни структуроутворення активної маси: запобігалось утворення великокристалічного сульфату свинцю, а тонкі голчаті кристали, переплітаючись і зчіплюючись між собою, утворювали міцну структуру, що в подальшому запобігало обсипанню активної маси. Магнітна обробка виявилася ефективною і в технологіях приготування бетонних сумішей: зачинення бетонів омагніченою водою приводило до помітного поліпшення фізико-механічних властивостей бетонів - збільшувалася міцність на розтягування при вигині: зразки (куби з ребром 15см) характеризувалися меншою сумарною макропористістю і підвищеним, в порівнянні з контрольними зразками, вмістом більш дрібних за розміром пор. Виразно фіксувалася щільна структура цементного каменя і розчинної частини з рівномірно розподіленими дрібними порами правильної округлої форми, що перешкоджало об'ємній змочуваності і, отже, руйнуванню при заморожуванні, яке спостерігається в контрольних зразках, виготовлених з використанням неомагніченої води. І не дивлячись на додаткові витрати, пов'язані з водопідготовкою при виготовленні бетонів спеціального призначення, істотне поліпшення фізико-механічних властивостей виправдовує такі витрати. Серійне виробництво пристрою, що заявляється, може бути легко освоєно на вже існуючій матеріально-технічній і технологічній базі багатьох промислових підприємств. 9 Комп’ютерна верстка Н. Лиcенко 93746 Підписне 10 Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601