Спосіб контролю ефективності магнітної обробки води і водних систем

Реферат: Спосіб контролю ефективності магнітної обробки води і водних систем належить до проблеми прикладного магнетизму і може бути використаний в процесах магнітної обробки води для запобігання утворення накипу на нагрівальних елементах парових машин, для дії на утворення кристалів в пересичених розчинах, в акумуляторобудівництві - при обробці електролітів водних розчинів кислот або лугів, в будівництві - для зміцнення і підвищення морозостійкості бетонів, зниження в'язкості цементних розчинів, в харчовій промисловості - для випаровування води і поліпшення якості харчових продуктів, в сільськогосподарському виробництві - при поливі з метою усунення засолу ґрунтів при використовуванні води з високим вмістом солей, а також в транспортній галузі - при транспортуванні води і нафти, а також при синтезі бетонних сумішей із специфічними параметрами при побудові естакад високошвидкісних магнітолевітуючих транспортних систем. Спосіб контролю ефективності магнітної обробки води і водних систем шляхом реєстрації зміни фізичних параметрів включає дію на оброблюване середовище електромагнітного випромінювання, при цьому дію здійснюють імпульсним крайнєвисокочастотним електромагнітним випромінюванням в діапазоні частот 42,1-42,2 ГГц з частотою модуляції 101 Гц, при цьому як реєстрований фізичний параметр використовують світлорозсіювальні властивості оброблюваної рідини. Технічний результат: забезпечення ефективної дії на досліджувані водні середовища електромагнітного випромінювання як UA 100821 C2 (12) UA 100821 C2 первинного (попереднього) активатора водного середовища при визначенні ефективності технологічного процесу магнітної обробки, при якому низькоінтенсивне електромагнітне поле здійснювало істотний вплив на фізичний стан водного середовища, що дозволяє швидко і надійно визначати ефективність магнітної обробки. UA 100821 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до проблеми прикладного магнетизму і може бути використаний для магнітної обробки води для запобігання утворення накипу на нагрівальних елементах парових машин, для дії на утворення кристалів в пересичених розчинах, в акумуляторобудівництві - при обробці електролітів - водних розчинів кислот або лугів, в будівництві - для зміцнення і підвищення морозостійкості бетонів, зниження в'язкості цементних розчинів, в харчовій промисловості - для випаровування води і поліпшення якості харчових продуктів, в сільськогосподарському виробництві - при поливі з метою усунення засолу ґрунтів при використовуванні води з високим вмістом солей, а також в транспортній галузі - при транспортуванні води і нафти, а також при синтезі бетонних сумішей із специфічними параметрами при побудові естакад високошвидкісних магнітолевітуючих транспортних систем. Відомий спосіб визначення ефективності магнітної обробки води, який передбачає порівняння проб необробленої і обробленої магнітним полем води, саме - пробу води нагрівають до 100° С і потім пропускають з однаковою швидкістю через однакові теплообмінники і вимірюють її фізичні параметри - теплопровідність, рН та ін. (авт. свід. СРСР № 338492, опубл. 1972 p.). Недоліком даного способу є низька достовірність одержаних даних через великі збурення, що накладаються на систему в процесі вимірювання, перш за все через сильний нагрів, суттєво змінюючий фізико-хімічні властивості води через виділення солей. Достатньо тривалий і енерговитратний і сам процес вимірювань. Вказані недоліки характерні і для способу контролю якості магнітної обробки води (авт. свід. СРСР № 1331833, опубл. 1987 p.) і водних систем (пат. РФ № 2120414, опубл. 1998 p.). Вільним від вказаних недоліків є спосіб оцінки магнітної обробки водних розчинів, заснований на визначенні зміни магнітної сприйнятливості їх в результаті магнітної обробки. Для цього відбирають пробу в систему капілярів і вимірюють різницю рівнів рідини в капілярах приладу до омагнічення і після омагнічення - різниця у показаннях пропорційна магнітній сприйнятливості досліджуваної води або водного розчину (Кукоз Ф.П. Об условиях магнитной обработки водных растворов // Промышленная энергетика. - 1965, № 2. - С. 34-36). Проте чутливість такої системи суттєво залежить від діаметра капіляра, величина якого не детермінована, і напруженості магнітного поля, у зв'язку з чим в практичних реалізаціях ускладнено визначити оптимальні параметри і необхідний час експозиції. Недоліком способу є і те, що спосіб реалізується з використанням досить складного і дорогого вимірювальногопристрою. Зміни змочуваності води під впливом магнітного поля для визначення ефективності омагнічення використані в (Заднепровский Р.П. Определение параметров омагничивания воды по углу смачивания // Водоснабжение и санитарная техника.-1986, № 1. - С. 18). Спосіб цінний тим, що виключає зміну агрегатного стану води при вимірюваннях. Проте велика тривалість процедури вимірювання (до 30 хвилин), необхідність використання достатньо складного устаткування при невисокій достовірності утрудняють практичне використання способу. В технічному рішенні по пат. РФ № 2034792, опубл. 1995 p., визначення ефективності магнітної обробки води здійснюють за допомогою вимірювання зміни різниці потенціалів проб обробленої і необробленої води, в які через мембрани дифундує хлористий натрій, розчин якого поміщений в камеру, розташовану між робочими камерами з оброблюваною водою і з'єднану з ними через напівпроникні мембрани. Метод простий в реалізації, проте внаслідок достатньо широкого діапазону рекомендованих концентрацій розчину хлористого натрію (від 1 до 40 %), які в більшій мірі, ніж омагнічення визначають вимірювану різницю потенціалів, достовірність методу невелика. Відомі способи оцінки ефективності магнітної обробки водних розчинів, засновані на вимірюванні різниці в добротностях електричних коливальних контурів, елементи ємностей яких (плоскі вимірювальні конденсатори) заповнюють омагніченою і неомагніченою водою (авт. свід. СРСР № 833557, опубл. 1981 p. і авт. свід. СРСР № 1973875, опубл. 1991 p.) з використанням стандартної вимірювальної апаратури (вимірника добротності Е9-4). Найближчим по технічній суті і по результату, що досягається, до винаходу, що заявляється, технічним рішенням (прототипом), є спосіб визначення ефективності магнітної обробки води, що включає реєстрацію змін фізичного стану води, саме - розсіювання енергії і зміни реологічних характеристик обробленої і необробленої води, яка піддається одночасному впливу безперервного електромагнітного випромінювання в діапазоні частот 5-6 Мгц і магнітного поля (авт. свід. СРСР № 833557, опубл. 1981 p.). Безперечною перевагою способу-прототипу порівняно з раніше цитованими є те, що при вимірюваннях в досліджуване середовище не вносяться сильні збурення, які викликаються інтенсивним нагрівом. Проте у вказаному технічному рішенні діапазон частот електромагнітного 1 UA 100821 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 випромінювання не мотивований, t як і не мотивований режим його подачі (безперервний), у зв'язку з чим фіксація змін реологічних характеристик (в термінах тангенса кута діелектричних втрат) утруднена (через низьку чутливість), тому утруднений і вибір оптимальних значень параметрів оброблювального магнітного поля, що знижує достовірність способу. В основу способу контролю ефективності магнітної обробки води і водних систем, який заявляється, поставлена задача підвищення достовірності і прискорення процедури вимірювань. Поставлена задача вирішується тим, що в способі визначення ефективності магнітної обробки води і водних систем шляхом реєстрації зміни фізичних параметрів, який включає дію на оброблюване середовище електромагнітного випромінювання, відповідно до винаходу дію здійснюють імпульсним крайнєвисокочастотним електромагнітним випромінюванням в діапазоні частот 42,1-42,2 ГГц з частотою модуляції 101 Гц, при цьому як реєстрований фізичний параметр використовують світлорозсіювальні властивості оброблюваної рідини. Вибір несучої частоти електромагнітного випромінювання 42,1-42,2 ГГц як первинного активатора рідини і частоти амплітудної модуляції випромінювання 101 Гц обумовлений фундаментальними співвідношеннями між речовиною, основу якої складають нуклони (протони і нейтрони), і його коливальними характеристиками, і згідно сучасним фізико-математичним моделям логарифмічно фрактальна масштабна інваріантність позиціонується як універсальний критерій оцінки динамічних властивостей коливальних процесів (Hartman Muller. Fractal Scaling Models of Natural Oscillations in Chain Systems and the Mass Distribution of Particles / Progress in Physics. - V. 3, July 2010. - P. 61-66; Hartman Muller. Fractal Scaling Models of Resonant Oscillations in Chain Systems of Harmonic Oscillators / Progress in Physics. - V. 2, April 2009. - P. 72-76; Hartman Muller. Fractal Scaling Models of Natural Oscillations in Chain Systems and the Mass Distribution of the Celestial Bodies in the Solar System / Progress in Physics. - V. 1, January 2010. P. 62-66). Відповідно до вказаної моделі першоосновою динамічних характеристик матеріальних об'єктів будь-якого ступеня складності і розміру є фундаментальний фрактал і його складова спектр власних коливань ланцюгової системи зв'язаних протонів, в якому частоти 101 Гц і 42,1. 24 42,2 ГГц є субгармоніками основної резонансної частоти протона (1,425486 10 Гц). Використання амплітудно-модульованого електромагнітного випромінювання важливе в тому відношенні, що відповідно до (Ордынец А.Г. Применение оптико-акустического метода при изучении взаимодействия миллиметрового электромагнитного излучения с биообъектом // I Всес. симп. с межд. участием "Фундаментальные и практические аспекты применения миллиметрового электромагнитного излучения в медицине", 13-15 мая 1989 г. -Киев, 1989. - С. 127-128) амплітудно-модульоване електромагнітне випромінювання породжує в рідкому середовищі подовжню акустичну хвилю на частоті модуляції («радіозвук»), що розповсюджується у напрямку розповсюдження електромагнітного випромінювання, так що досліджуване водне середовище у винаході, що заявляється, піддається дії електромагнітного випромінювання на характерній несучій частоті і механо-акустичній дії також на характерній частоті з фундаментального протонно-резонансного частотного ряду. Внаслідок цього первинна активація водного середовища, що підвищує її чутливість до дії магнітного поля при вимірюваннях, досягається при малих величинах електромагнітного випромінювання. Спосіб, що заявляється, здійснюється таким чином. Як модельне середовище використовують водопровідну воду, яку поміщають в скляну пробірку об'ємом 150-200 мл, як джерело електромагнітного випромінювання при реалізації способу використовували спеціально виготовлений генераторний модуль, фіг. 1, в якому як активний елемент використовували діод Ганна типу 3А727Б і в якому вжиті заходи для підвищення когерентності (з використанням технічних рішень по авт. свід. 1363422 (СРСР), опубл. 1987 p. і пат. 57222 (Україна), опубл. 2003 p.). Механічна перестройка частоти могла бути здійснена в діапазоні частот 40,1-42,25 ГГц з рівнем вихідної потужності не менше 10 мВт. 2 Вихідний хвилевід 1 перетином 5,2 × 2,6 мм був забезпечений діелектричною (фторопластової) вставкою 2, яка забезпечувала електромагнітне узгодження з водним вмістом пробірки при зануренні в неї вихідного хвилеводу генераторного модуля. Амплітудна модуляція в діапазоні частот 0,8-110 Гц здійснювалася з використанням амплітудного модулятора типу М34309 з швидкодією не менш 0,005 мкс і глибиною модуляції до 20 дБ. Таймер міг забезпечити експозицію в інтервалі до 30 хвилин. Магнітне поле створювалося парою постійних магнітів системи неодим-залізо-бір з індукцією на поверхні 350-400 мТл, встановлених на утримувачі і повернутих різнойменними полюсами один до одного, при цьому відстань між таким чином організованими наконечниками могла 2 UA 100821 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 плавно змінюватися, змінюючи напруженість магнітного поля в зазорі, де встановлювалася пробірка з досліджуваною пробою води. Ефект впливу мікрохвильового випромінювання і магнітного поля оцінювався по характеру світлорозсіювання (зміна структури світлового поля) лазерного променя, створюваного +3 напівпровідниковим джерелом червоного випромінювання з довжиною хвилі 0,63 -1 мкм (фіг. 2), спектральні характеристики якого близькі характеристикам лазерів АКЛР-01М, що раніше 2 серійно випускалися, і з густиною потужності на виході 9-10 мВт/мм , що пройшов через пробірку з водою через круглі отвори в екрані, які розташовані на бічній поверхні пробірки. За відсутності магнітного поля через 20-22 хв. після початку опромінювання електромагнітним випромінюванням в діапазоні частот 40,1-42,25 ГГц з частотою модуляції 0,8110 Гц на світлоприймальному екрані, розташованому із сторони, протилежної розміщенню (щодо пробірки) джерела лазерного випромінювання, спочатку стійка і практично нерозмита (однорідна) картинка світлорозсіяння змінюється, набуваючи характеру неперіодичного повільного переміщення окремих частин світлового поля. На частотах модуляції 10 і 101 Гц і на частоті несучої електромагнітного випромінювання 42,1-42,2 ГГц ці зміни світлового поля відбувалися прискорено і фіксувалися вже на 9-10-й хвилині, а у присутності магнітного поля в інтервалі напруженостей 300-600 ерстед і при вказаних параметрах електромагнітного випромінювання - через 5-6 хвилин, при цьому оптимальне значення напруженості магнітного поля легко диференціювалося. Таким чином, існують значення параметрів електромагнітного випромінювання, яке впливає на водне середовище, в частині чисельних значень частоти несучої і частоти модуляції, при яких контроль ефективності магнітної обробки надійно здійснюється. При цьому початковими мотивами при виборі способу контролю ефективності магнітної обробки з'явилися результати досліджень, проведених останніми роками, по впливу міліметрового електромагнітного випромінювання на воду і вододисперсні середовища. Так, в (20-а Міжнародна кримська конференція "СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології"/ Матеріали конференції. - Севастополь: Вебер, 2010. - С 1117-1118) методом ядерного магнітного резонансу встановлено явище зміни об'ємної частки "пухирцевого" повітря, що міститься у воді, під впливом електромагнітного міліметрового випромінювання. Одержані дані є достатньо надійними і можуть бути пояснені із залученням двоструктурної моделі води, відповідно до якої (Соровский образовательный журнал. - 1996. - № 9. - С. 72-78) в звичайному стані вода утворена окремими молекулами (мономолекулами) і асоціатами (кластерами, фракталами) - утвореннями з 100-800 молекул, зв'язаними електрично, при цьому вказані локальні структури характеризуються постійною динамікою взаємних переходів ("мерехтливі кластери") і виникаючі мерехтіння зв'язуються із збільшенням і зменшенням числа структурних неоднорідностей. При опромінюванні води електромагнітним випромінюванням енергія квантів, яка поглинається асоціатами і переходить у внутрішню енергію водного середовища, буде цими структурами накопичуватися до тих пір, поки не досягне енергії водневого зв'язку (яка, за оцінками, в 500-1000 разів більше енергії кванта електромагнітного випромінювання). При досягненні критичного значення енергії відбудеться розрив водневого зв'язку і частина структурних утворень руйнуватиметься, трансформуючись в ансамбль вільних молекул води відбудеться лавиноподібне звільнення енергії, яке перетвориться в інші типи, у тому числі частина енергії витратиться на утворення повітряних пухирців. Утворення пухирців з повітря, завжди присутнього у воді в розчиненому вигляді, а також і збільшення швидкості переміщення молекул повинне привести до зміни об'ємної структури води і до зміни її гідродинамічних параметрів. При цьому водне оточення кожного з виниклих пухирців буде збіднено розчиненим повітрям, а самі пухирці за рахунок пондеромоторної дії амплітудно-модульованого електромагнітного випромінювання переміщатимуться в області, де концентрація розчиненого повітря більше, що повинне привести до деформації пухирців, зміні їх розмірів, розривів, що і фіксують в експериментальних дослідженнях картинки, створювані на екрані променем червоного лазерного випромінювання, який пройшов через пробірку з водою. При введенні як додаткового впливаючого на водне середовище чинника - магнітного поля відбувається розрив і більш слабких зв'язків між окремими структурними утвореннями, зміна їх взаємного розташування, зміна як об'ємної в'язкості, що характеризує величину тертя між шарами в об'ємі води, так і граничної в'язкості, що характеризує тертя між внутрішньою поверхнею пробірки і прилеглим до неї шаром рідини. Збільшення частки пухирцевого повітря означає збільшення сумарної поверхні пухирців, що контактують із стінками пробірки. В місцях контактів пухирці забезпечують наявність розклинюючого тиску, зменшуючи тим самим граничне тертя, що приводить до більш швидкої 3 UA 100821 C2 5 10 15 20 зміни гідродинамічних характеристик водного середовища, що і фіксують картинки розсіяного (дифузного) характеру, що виникають на екрані після проходження через пробірку з досліджуваною рідиною червоного лазерного випромінювання. При цьому існує оптимальне значення магнітного поля, яке приводить до вказаних змін і до прискореної зміни характеру світлорозсіяння. Таким чином, попередня активація водного середовища амплітудно-модульованим електромагнітним випромінюванням на частоті несучої і частоті модуляції, узятими із спектра власних коливань ланцюгових систем зв'язаних протонів, основу якого складає резонансна частота протонів (на інших частотах вказані явища виявляються в набагато меншому ступені) дозволяє упевнено, з великою достовірністю і з мінімальною витратою часу здійснювати контроль ефективності магнітної обробки води і водних систем. Якість оброблюваної магнітним полем води виразно виявляється при застиганні бетонних сумішей і оцінці експлуатаційних характеристик зразків. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Спосіб контролю ефективності магнітної обробки води і водних систем шляхом реєстрації зміни фізичних параметрів, який включає дію на оброблюване середовище електромагнітного випромінювання, який відрізняється тим, що дію здійснюють імпульсним крайнєвисокочастотним електромагнітним випромінюванням в діапазоні частот 42,1-42,2 ГГц з частотою модуляції 101 Гц, при цьому як реєстрований фізичний параметр використовують світлорозсіювальні властивості оброблюваної рідини. 4 UA 100821 C2 Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5