Магнітоакустичний активатор

Магнітоакустичний активатор, який містить корпус з вхідним і вихідним патрубками, соленоїд, розміщений зовні корпусу і підключений до джерела струму, сердечник з кінцями конічної форми, встановлений вісесиметрично уздовж осі корпусу, який відрізняється тим, що сердечник виконаний з магнітного матеріалу у вигляді інтерметалевої сполуки неодим-залізо-бор з частковим заміщенням неодиму тербієм, при цьому частка тербію складає від 5 до 9 % по вазі від вмісту неодиму у вказаній інтерметалевій сполуці, сердечник намагнічений уздовж своєї осі, а джерело струму виконано у вигляді генератора імпульсного частотномодульованого струму, який функціонує в діапазоні частот 21...25 кГц, причому девіація частоти здійснюється в періодично повторюваних часових інтервалах 50...60 с. Винахід належить до пристроїв для обробки рідких середовищ за допомогою сумісної дії на оброблюване середовище магнітних і акустичних полів і може бути використаний в теплоенергетиці - при водопідготовці з метою уникнення утворення накипу і зниження корозії стінок теплообмінної апаратури, в електротехніці - у виробництві хімічних джерел струму, саме - для активації електролітів, в хімічних технологіях - з метою підвищення інтенсивності процесів і збільшення виходу продукту, а також в промисловості будівельних матеріалів, зокрема в технологіях виробництва бетонів із специфічними параметрами - при створенні опор шляхової структури високошвидкісних магнітолевітуючих транспортних систем з електродинамічним підвісом. Відомий магнітний активатор рідини, який містить магнітну систему з постійними магнітами, що розташовують уздовж труби з рідиною із зовнішньої сторони, при цьому магнітна система містить магнітоненасичені пластини магнітопроводів з виступами, між якими розташовані магніти, замкнуті на пластину однойменними полюсами (пат. Російської Федерації № 2046761, опубл. 1995 p.). Недоліком вказаного пристрою є те, що воно ефективне лише при значних швидкостях потоку рідини по трубопроводу і має потребу для підвищення ефективності магнітної обробки в додаткових перетворювачах ламінарного руху рідини в турбулентне, встановлюваних на вході трубопроводу. Відомий також магнітний активатор рідини, що містить корпус з вхідним і вихідним патрубками, в якому розташовано джерело магнітного поля з паралельних секцій, між якими виконані проточні канали, в яких розташовані концентратори магнітного поля у вигляді стержнів або ґрат, що мають круглі або трикутні перерізи (пат. Російської Федерації № 2261230, опубл. 2005 p.). Розміщення магнітної системи усередині корпусу, який є частиною трубопровідної системи, підвищує ефективність використовування магнітного поля і створює при відповідному конструюванні проточних каналів передумови для появи турбулентних мікропотоків рідини, що також спри UA (11) 94791 (13) (21) a200908635 (22) 17.08.2009 (24) 10.06.2011 (46) 10.06.2011, Бюл.№ 11, 2011 р. (72) ДЗЕНЗЕРСЬКИЙ ВІКТОР ОЛЕКСАНДРОВИЧ, СОКОЛОВСЬКИЙ ІВАН ІВАНОВИЧ, КРАВЧЕНКО КОСТЯНТИН ОЛЕКСАНДРОВИЧ, ПЛАКСІН СЕРГІЙ ВІКТОРОВИЧ, ПОГОРІЛА ЛЮБОВ МИХАЙЛІВНА, ШЛЯХТИНА ТЕТЯНА ВІКТОРІВНА (73) ІНСТИТУТ ТРАНСПОРТНИХ СИСТЕМ І ТЕХНОЛОГІЙ НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ "ТРАНСМАГ" (56) SU 1511215 A1; 30.09.1989 SU 945081; 23.07.1982 SU 1130373 A; 23.12.1984 SU 966031; 15.10.1982 RU 54935 U1; 27.07.2006 RU 2261230 C1; 27.09.2005 RU 2046761 C1; 27.10.1995 RU 2131400 C1; 10.06.1999 C2 2 (19) 1 3 яє підвищенню магнітної активності оброблюваного середовища і розширенню класу оброблюваних середовищ. Проте таке щільне просторове заповнення елементами магнітної системи об'єму корпусу пристрою, по якому проходить оброблювана рідина, істотно підвищує гідродинамічний опір, а синтез такої складної магнітної системи є достатньо дорогою технологічною задачею. Відоме також застосування інших фізичних чинників, а саме - електричних і акустичних полів, які є за певних умов достатньо ефективними для обробки різноманітних середовищ (Журнал фізичної хімії. - 1991. - Т.65, № 8. - С. 2221-2226). Проте відсутність магнітного поля як важливого чинника приводить до істотної вибірковості оброблюваного середовища до частоти акустичного поля і неоднозначності результатів акустичної обробки. В той же час конструкція магнітного активатора рідини по пат. РФ № 2261230 не дозволяє використовування вказаних фізичних чинників. Відоме технічне рішення (пристрій) для обробки рідин сумісною дією магнітного і електричного полів (пат. Російської Федерації № 2131400, опубл. 1999 p.). Проте присутність в структурі апаратного комплексу сильних електричних полів, що безпосередньо контактують з оброблюваною рідиною, обмежує області використовування методу, оскільки експлуатацію пристрою нерідко важко поєднувати з вимогами по електробезпеці. Відоме сумісне використовування ультразвукового і змінного магнітного полів для обробки рідких середовищ (Журнал прикладної хімії. 1984. - № 7 - С. 1449-1454). Проте велика розбіжність в значеннях робочих частот змінного магнітного поля (50 Гц) і ультразвукового поля (21 кГц) і недостатня величина енергії акустичного поля (через малість амплітуди коливань при фіксованому значенні частоти і питомої густини середовища) не дозволяють істотно змінити властивості оброблюваного середовища. Крім того, у вказаному технічному рішенні обробка середовища здійснювалася з використанням автономних джерел магнітного і ультразвукового полів з роздільними джерелами електрозабезпечення, так що нереалізованість єдиного магнітоакустичного комплексу у вказаному технічному рішенні утрудняє практичне використовування пристрою. З погляду критеріїв функціонально-вартісного аналізу побудову магнітоакустичних активаторів нового типу, які могли б якісно змінювати властивості оброблюваного середовища і бути широко запитаними, слід здійснювати на базі добре розвинених способів і пристроїв магнітної обробки з використанням новітніх технологій магнітних матеріалів. Найближчим за технічною суттю і по результату, що досягається, до винаходу, який заявляється, технічним рішенням (прототипом) є магнітний активатор рідких середовищ, що містить корпус з вхідним і вихідним патрубками, соленоїд, розміщений зовні корпусу, феромагнітний сердечник з кінцями конічної форми, встановлений уздовж осі корпусу, і полюсні наконечники, внутрішня поверхня яких еквідистантна поверхні конічної частини 94791 4 сердечника, розсікачі потоку, що виконані у вигляді порожнистих зрізаних конусів, з ребрами по їх твірних на зовнішній і внутрішній поверхнях, встановленими між полюсними наконечниками і конічними кінцями сердечника, при цьому верхній і нижній конічні кінці сердечника розташовані відповідно над верхнім і під нижнім торцями соленоїда (авт. свід. 1511215 СРСР, опубл. 30.09.89). Наявність в пристрої розсікачів потоку, що збільшують миттєве значення швидкості руху рідини в кожному локальному мікропотоці, посилює ступінь магнітної обробки при заданих значеннях напруженості магнітного поля в зазорі між конічними наконечниками сердечника і полюсними наконечниками. В той же час елементи розсікача, виконані у вигляді плоских дифузорів, розміщених як у вхідній частині пристрою, так і в його вихідній частині, створюють додатковий гідродинамічний опір потоку, що у ряді вживань (наприклад, в системах з малими швидкостями потоку, при обробці середовищ з високою кінематичною в'язкістю) є неприйнятною обставиною, а основним недоліком пристрою-прототипу є відсутність в його складі джерела акустичних полів, так що експлуатаційні можливості пристрою обмежені, і для посилення змін властивостей оброблюваних рідин і розширення класу середовищ, що підлягають обробці, необхідне використовування додаткового джерела звукових, переважно ультразвукових, полів, що ускладнює і здорожчує технологію обробки. В основу винаходу, що заявляється, поставлена задача поліпшення експлуатаційних характеристик магнітоакустичного активатора, в якому за рахунок введення вузлів з новими функціональними властивостями і зміни режимів функціонування досягається одночасна дія на оброблюване середовище змінних магнітних і ультразвукових полів при одночасному спрощенні конструкції пристрою. Поставлена задача розв'язується тим, що магнітоакустичний активатор, який містить корпус з вхідним і вихідним патрубками, соленоїд, розміщений зовні корпусу і підключений до джерела струму, сердечник з кінцями конічної форми, встановлений вісесиметрично уздовж осі корпусу, відповідно до винаходу сердечник виконаний з магнітного матеріалу у вигляді інтерметалевої сполуки неодим-залізо-бор з частковим заміщенням неодиму тербієм, при цьому частка тербію складає від 5 до 9 % по вазі від вмісту неодиму у вказаній інтерметалевій сполуці, сердечник намагнічений уздовж своєї осі, а джерело струму виконано у вигляді генератора імпульсного частотномодульованого струму в діапазоні частот 21...25 кГц, причому вказана девіація частоти здійснюється в періодично повторюваних часових інтервалах 50...60 с. Використовування в пристрої сердечника з магнітополяризованого матеріалу, основою якого є неодим-залізо-бор з високою запасеною магнітною енергією, забезпечує довготривалу присутність постійної компоненти магнітного поля, яке не потребує наявності джерела намагнічуючого електричного струму, що характерне для пристроюпрототипу, а наявність у складі магнітного матеріалу рідкоземельного елемента тербію у вказаній 5 частці по відношенню до змісту неодиму додає матеріалу, як це було встановлено в спеціальних дослідженнях, властивість незвичайно високого (по суті аномального) значення магнітострикції подовження (позитивна магнітострикція) досягає двох відсотків, тоді як в класичних магнітострикційних матеріалах (Fe, Ni, Co) і у феромагнітних сплавах (пермалой, алфер, пермендюр) магнітострикційна постійна складає десяті і соті частки відсотка. Досліджуваний магнітний матеріал має високе значення магнітострикції насичення, тому в нього вдається ввести велику електричну потужність - в 50-60 разів більшу в порівнянні з кращими традиційними магнітострикційними матеріалами, що дає можливість одержати великі рівні акустичної потужності навіть при використовуванні малогабаритних сердечників. При цьому, оскільки матеріал, що використовується в пристрої, який заявляється, має високі значення намагніченості, які змінюються періодично за рахунок акустичної деформації (магнітопружний ефект), то це збільшує число параметрів впливаючих на оброблюване середовище фізичних чинників - магнітних і акустичних полів і розширює клас середовищ, для яких магнітоакустична активація стає ефективною. При цьому, завдяки тому, що збудження змінної складової магнітного поля і акустичних коливань здійснюється на одній частоті, рівній частоті електричного струму, що пропускається через соленоїд, який охоплює сердечник, вдається досягти режиму магнітоакустичного резонансу, при якому реалізується збудження магнітних хвиль ультразвуковими і ультразвукових хвиль магнітними хвилями, так що дія магнітних і акустичних полів на оброблюване середовище знаходиться в синергетичних взаємозв'язках і ефективність магнітоакустичної активації посилюється. При цьому в замовленому діапазоні частот в магнітному матеріалі даного типу збуджуються достатньо високоенергетичні акустичні коливання, а водовмісні середовища (наприклад, електроліти) найбільш чутливі до магнітних полів в цьому діапазоні частот, причому функціонування пристрою в режимі частотної модуляції з вказаною крутизною (девіація частоти за одиничний часовий інтервал) дозволяє здійснити магнітоакустичну активацію середовищ з різною кінематичною і динамічною в'язкістю. Виконання сердечника намагніченим уздовж осі і загостреним з двох кінців викликано тим, що в зоні загостреного полюса магнітні силові лінії мають велику густину і великий градієнт напруженості магнітного поля, так що (через закон Гуї) відбувається зростання сили, діючої на мікроструктури оброблюваного середовища і, відповідно, зростання її активованості, при цьому сердечник в режимі активного функціонування є одночасно джерелом циліндрової ультразвукової хвилі, яка створюється бічною поверхнею циліндрової частини сердечника, що радіально коливається, і квазісферичної ультразвукової хвилі, яка створюється конічними частинами сердечника. Суть винаходу, що заявляється, не витікає для фахівця явно з відомого рівня способів і пристроїв 94791 6 модифікації властивостей гідродисперсних середовищ. Сукупність ознак, які характеризують відомий пристрій, не забезпечує отримання нових властивостей і лише наявність істотних ознак, декларованих даним винаходом, дозволяє одержати новий результат. Отже, пропонований винахід відповідає критерію "винахідницький рівень". На кресленні зображений магнітоакустичний активатор, що заявляється, подовжній розріз. Активатор містить корпус 1 з діамагнітного ударостійкого матеріалу з вхідним патрубком 2 і вихідним патрубком 3, які нагвинчуються на торцеві частини корпусу, сердечник 4 з кінцями конічної форми, які фіксуються співвісно з корпусом за допомогою діелектричних втулок 5, 6, в яких по центру виконані конічні поглиблення 7, в яких частково втоплені кінці сердечника, і наскрізні отвори 8, розташовані еквідистантно відносно до осі втулки і відносно один до одного. Зовні корпусу розміщений соленоїд 9, обмотка якого підключена до джерела 10 частотно-модульованого струму. Втулки виконані з матеріалу з невисокою механічною жорсткістю, наприклад з тефлону. Магнітоакустичний активатор функціонує таким чином. Оброблюване середовище надходить у вхідний патрубок 2 і через наскрізні отвори 8 в діелектричній втулці 5 надходить в робочу зону омагнічування, утворену конічною поверхнею кінців соленоїда, бічною його поверхнею і бічною поверхнею корпусу, причому омагнічування здійснюється комбінацією магнітних полів - постійним, створюваним початково намагніченим (поляризованим) сердечником, і змінним магнітним полем, яке індукується імпульсним струмом змінної частоти, що протікає через обмотку соленоїда. В цій же зоні оброблюване середовище піддається дії ультразвукових полів, які генеруються сердечником за рахунок магнітострикційного ефекту. При цьому акустичне випромінювання надає потенціюючий вплив на процеси магнітної обробки, будучи також і самостійним активним чинником зміни властивостей оброблюваної рідини. При певній потужності ультразвукового випромінювання в просторі омагнічування за рахунок багатократного перевідбиття від стінок корпусу утворюється чітко виражений нерівномірний розподіл тиску, так що при проходженні рідини через отвір в діелектричній втулці, яка є по суті ефективним інжектором, з субмікронних забруднень газу (або пари) в рідині відбувається утворення пухирців, які в позитивній фазі (фазі складання прямої і відбитої хвиль) акустичного поля лопаються з утворенням могутньої ударної хвилі, що переміщає з великою швидкістю локальні об'єми оброблюваної рідини, завдяки чому підсилюється ефективність магнітної обробки. При цьому, оскільки структура магнітного поля, що впливає на потік рідини на відрізку шляху від вхідного до вихідного патрубка, виразно градієнтна, а акустичне поле характеризується складною поляризаційною структурою, відбувається ефективна взаємодія магнітного і акустичного полів із структурними мікроутвореннями і мікровклю 7 ченнями - кластерами, гідродисперсними структурами, клатратами, гідратними оболонками з різним числом гідратації, ротаторами і т. інш., які мають різну форму, розміри, орієнтацію. Виходячи з особливостей утворених ультразвукових коливань в пристрої, що заявляється, послідовне з'єднання двох ідентичних магнітоакустичних активаторів, що живляться від одного генератора імпульсного частотно-модульованого струму і генерують ультразвукові коливання на одній частоті, так що можлива взаємодія двох хвиль, що розповсюджуються назустріч одна одній, і утворення великоамплітудних фаз ущільнення і розрідження в оброблюваному середовищі, дозволяє при необхідності здійснити ефективну гомогенізацію середовищ з різними величинами кінематичної і динамічної в'язкості вхідних компонентів. Випробування модельного зразка магнітоакустичного активатора з набором декларованих ознак показали, що використовування в одному конструктиві магнітних і акустичних полів при обробці водовмісних середовищ (водних розчинів сірчаної 3 кислоти з густиною 1,28-1,30 г/см , відповідною густині електролітів кислотних акумуляторних батарей), приводить до істотного зниження гідродинамічного опору потоку рідини, оточуючої намагнічений стрижень, і може бути пояснено зміною стану властивостей середовища, зокрема стану водного шару, що примикає до поверхні стержня і бічної поверхні корпусу, тобто зменшенням граничної в'язкості, що визначає тертя між поверхнею твердого тіла і примикаючим до нього шаром рідини. Ця обставина важлива при обробці потоків, що рухаються з малими швидкостями. Сумісна дія магнітного і акустичного полів на вказані розчини приводить до ефективної гомогенізації, тобто до з'єднання різнорідних по диспергенності і складу компонент - деіонізованої води і сірчаної кислоти, що помітно по зміні оптичної прозорості до і після магнітоакустичної обробки. Ефективною виявилася і магнітоакустична обробка водопровідної води, що використовується для замішування гіпсу - перспективного матеріалу в технологіях виготовлення труб пневмотранспортних магістралей, конкурентоспроможність якого може бути посилена завдяки збільшенню механічної міцності і термостійкості, підвищенню корозійної стійкості і довговічності, а також зниженню поверхневої електризації за рахунок трибоелектричних ефектів. Оскільки у вказаних технологіях вода є не тільки середовищем, в якому протікають процеси розчинення і перекристалізації, але і входить в грати дигідрату, що формується з розчину, то магнітоакустична обробка води є важливою складовою в технологіях виготовлення виробів з гіпсу. При цьому всі основні експлуатаційні характеристики виробу і перш за все механічна міцність, корозійна стійкість і термостійкість можуть бути поліпшені за рахунок збільшення розчинності гіпсу в активованій воді. Так, порівняльні вимірювання електропровідності зразків (гіпсове тісто, що складається з 58 % напівводного гіпсу і 42 % води - по масі, розміщене у вимірювальному осередку з орг 94791 8 скла з габаритами 4415 см з металевими електродами на торцевих поверхнях зразків) показали, що максимальне значення електропровідності збільшується більш ніж в два рази при використовуванні активованої води. Оскільки електропровідність є функцією концентрації іонів в розчині, то збільшення електропровідності свідчить про збільшення розчинності. І хоча досягнення максимального значення електропровідності відбувається за більший часовий інтервал, ніж при розчиненні звичайною (неактивованою) водою (зростання з 7 хв. до 15 хв., а час повної кристалізації збільшується з 17-18 хв. до 25-28 хв.), одержуване при цьому істотне збільшення міцності (з 2,3 до 4,1 МПа), зниження вилуговуваності, підвищення термостійкості (майже триразове збільшення числа теплозмін до появи мікротріщин) таке збільшення тривалості циклу поза сумнівом виправдовують. При використовуванні активованої води при зачиненні бетонів відбувається наростання прискореним чином їх пластичної міцності, яка є основним експлуатаційним параметром, завдяки швидкому диспергуванню частинок до мікронних розмірів. І саме поліпшення параметрів бетонів і їх прискорене формування важливі при споруді естакад магістралей високошвидкісного магнітолевітуючого транспорту, де з міркувань забезпечення високої динамічної стійкості вимоги до параметрів бетонів достатньо високі з погляду величини податливості при високих швидкостях руху (Техническая механика. - 1998. - Вып. 8. - С. 70-75; Дзензерский В.А. Динамический расчет путевой структуры для левитирующего экипажа с электродинамическим подвесом). Запропоноване технічне рішення має значний потенціал розвитку: в Україні на ряді підприємств (АОЗТ "Експромаг", м. Дніпродзержинськ, Наукововиробнича фірма "Полюс-Н", м. Харків, Дослідне виробництво Інституту фізичної хімії НАН України, м. Київ) освоєно виробництво високоенергетичних постійних магнітів системи неодим-залізо-бор, вихідним матеріалом для яких є промислові відходи атомного виробництва, що містять весь набір рідкоземельних елементів, так що можливий синтез магнітних матеріалів з найширшим набором вхідних в нього компонентів і, зокрема, на підприємстві АОЗТ "Експромаг" здійснено виробництво магнітів з високими значеннями магнітної індукції (до 400 кА/м) і прийнятними для практичного вживання магнітострикційними характеристиками. При цьому вдається здійснити виробництво магнітних матеріалів, стійких до окислення і корозії (Річний звіт Науково-технологічного Центру в Україні (НТЦУ), 1998, С. 54), що зумовлює можливість використовування таким чином синтезованих магнітів в апаратах для ефективної магнітоакустичної активації агресивних середовищ. При цьому, оскільки виготовлення магнітів здійснюється методами порошкової металургії, то вдається легко здійснювати виробництво магнітів найрізноманітніших форм і розмірів із строго дозованим вмістом вхідних в них елементів. Розробляються також високоефективні технології (розроблений технологічний маршрут і підіб 9 94791 рані технологічні режими процесів) по здобуванню рідкоземельних елементів з відпрацьованого ядерного палива (ЗАТ "STB Group", Київ, http:www.Zn.ua), так що собівартість виробництва магнітів може виявитися достатньо низькою, але вже сьогодні Україна є визнаним лідером в розробках магнітних матеріалів четвертого (після магнітів системи альніко, феритових і самарійкобальтових) покоління. Існуючі теоретико-методологічні методи розрахунку магнітних і акустичних систем з урахуванням особливостей розповсюдження ультразвуку в середовищах зі складними частотно-залежними дисипативними властивостями і експериментальні результати по розповсюдженню нелінійних хвиль кінцевої амплітуди в неоднорідних рухомих, у тому числі і в'язкопружних середовищах, дозволяють здійснити малобюджетну апробацію великого чис Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко 10 ла конструктивних композицій магнітоакустичних активаторів, що претендують на технічну реалізацію, з урахуванням об'ємів і темпів обробки і властивостей оброблюваних середовищ. Пристрій, що заявляється, може представляти практичний інтерес і за межами України, саме: широкі функціональні можливості - з одного боку, наявність серійного виробництва магнітів системи неодим-залізо-бор у ряді країн Європейського Союзу, Японії, США і Тайваню і освоєння технологій виробництва в Російській Федерації (ПО "Химстальволокно") і Білорусі (Дослідне підприємство Об'єднаного інституту фізики твердого тіла і напівпровідників Національної академії наук Білорусі) з другого боку, дозволяють сподіватися на широкий ринок використовування пристрою, що заявляється. Підписне Тираж 24 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