Спосіб магнітної обробки та демінералізації електроліту і пристрій для його здійснення

1 Спосіб магнітної обробки та демінералізацм електроліту, що включає вплив на нього взаємно пересічних змінних і синхронно змінюваних магнітного і електричного полів, який відрізняється тим, що вплив на електроліт здійснюють змінним магнітним полем, що рухається в один бік, а електричне поле створюють таким, що рухається у тому ж напрямку, синхронно з магнітним полем 2 Пристрій магнітної обробки і демінералізацм електроліту, що включає феромагнітний статор з обмотками створення електромагнітного поля, що обертається, і розміщений у ньому з утворенням кільцевої порожнини для проходу електроліту нерухомий сердечник, при цьому статор і сердечник виконані з пазами з розміщеними в них обмотками, ізольованими від оброблюваного електроліту, на торцях кільцевої порожнини встановлені електрично не ізольовані від оброблюваного електроліту електроди, підключені до обмотки сердечника, а також патрубки підведення оброблюваного і відводу обробленого електроліту, який відрізняється тим, що обмотка сердечника виконана багатофазною, и фазні обмотки з'єднані послідовно, один з електродів розділений по числу фаз обмотки на взаємно ізольовані ламелі, кожна з яких підключена до ВІДПОВІДНИХ фазних обмоток, а кільцева порожнина розділена герметичними електроізолюючими перегородками на окремі камери, кожна з яких містить додатковий патрубок для відводу концентрованого електроліту Винахід відноситься до технології розділення електролітних розчинів і може бути застосованим в пристроях для електромагнітної (магнітним полем й електричним струмом) обробки води в різних галузях промисловості при підготуванні води для технологічних процесів і очищенні стічних вод, наприклад, у теплоенергетиці, ХІМІЧНІЙ галузі, машинобудівній та ш Найбільш поширеного використання винахід набуде при очищенні додаткової води паросилових установок, оборотних систем охолоджування та води для підживлення теплових мереж Застосування магнітного впливу на різноманітні водні розчини та суспензії є загальновідомим фактором Магнітна обробка, що знайшла застосування для обробки водних систем, змінює ряд фізичних та фізико-хімічних характеристик останніх (діелектричну проникність, в'язкість, магнітну сприйнятність, провідність тощо) Застосування магнітної обробки води в основному відоме в якості магнітних фільтрів для видалення окислів турбінного конденсату енергетичних установок зверхкритичного тиску, при ПІДГОТОВЦІ підживлювальної води теплових мереж і для обробки високо мінералізованої, в тому числі і морської води перед ДИСТИЛЯЦІЄЮ Ряд технологій передбачають також застосування пристроїв, в яких під дією електричного струму в приелектродних зонах відбувається деіонізація домішок, що приводить до зняття перенасиченості розчину слаборозчинними солями і, як наслідок, до зниження жорсткості води за рахунок випадання осаду В патенті США № 5603843 (МПК7 C02F1/48, опубл в ВКС № з, 1998 р ) описаний процес зняття перенасиченості води саме під дією електричного струму, який викликає випадання в осад слаборозчинних домішок, присутніх у воді Аналогічний ефект, що має місце при обробці води, описаний в патенті Роси № 21377721 (МПК C02F5/00, опубл в БВ № 26, 1999 р), де використовується обробка води при напрузі, що не перевищує величину напруги розкладення робочого середовища На електродах електролізного пристрою відкладаються солі жорсткості та виділяються гази Накопичений в пристрої осад виво О СО (О со 47363 диться назовні Обидва наведені винаходи об'єднує загальний недолік - описана в них технологія обробки розчину має суто вузьку направленість - часткове пом'якшення води, тобто видалення з неї надлишку солей жорсткості, які є небажаними по причині утворення шару накипу на поверхнях теплообмінних пристроїв При таких технологіях вода лише обробляється магнітним полем або електричним струмом, але ж глибокого її очищення, що припускає відділення ІОНІВ розчинених у воді солей, не відбувається В ряді випадків застосовується поєднання дії на водний розчин ефектів магнітного поля та електричного струму Так, в заявці РСТ 92/06042 7 (МПК С02Р1/48, опубл в ВКС № 8 1993 р) за допомогою двох магнітних пристроїв, змонтованих на трубопроводі, по якому протікає вода, на останню впливають як магнітним полем, так і електричним струмом Подібний принцип зберігається і в патенті США № 5616250 (МПК7 С02Р1/48, опубл в ВКС № 5, 1998 р), де рідина в процесі обробки проходить через секцію, оснащену обмоткою, що наводить електромагнітне поле, яке діє на потік В результаті впливу на систему двох факторів - магнітного поля та електричного струму зниження її жорсткості лише додатково підсилюється, але, як і в двох попередніх технічних рішеннях, іони солей, що розчинені у воді, тут також не ВІДДІЛЯЮТЬСЯ Пом'якшення жорсткої води є вкрай важливим фактором в багатьох галузях народного господарства, особливо в теплоенергетиці, де боротьба з накипом є суттєвою проблемою Але до сучасних водоочисних технологій пред'являються вимоги значно більш глибокого пом'якшення і ефективного знесолення Глибоке очищення водних систем може бути основане на використанні явища взаємодії заряджених часток (ІОНІВ та мілкодисперсних домішок) з магнітним полем, направленим на їх селекцію та виведення з водної системи Механізм взаємодії електричних зарядів з магнітним полем визначається силою Лоренца, яка описується формулою Рл = V В Q sin a, Де Рл - сила Лоренца, V - швидкість переміщення зарядженої частки (юна) щодо магнітного поля, В - індукція магнітного поля, Q - заряд частки, а - кут між векторами В і V Теорія обробки розчинів в магнітному полі під дією сил Лоренца закладена в основу побудови ряду пристроїв, призначених для очищення електролітів Відомий пристрій, функціонування якого засноване на сумісній дії на розчин магнітного та електричного полів у поєднанні з тангенсиальним вводом потоку в циліндричну камеру (Патент Франції № 2629447, МПК7 С02Р1/48, опубл в ВКС № 4, 1990 р) Недоліком цього пристрою є те, що турбулентність високошвидкісного тангенсиального потоку, який до того ще й обертається, в значній мірі порушує направленість ІОНІВ, через що ефективність такого пристрою є низькою Більш досконалими з позиції ефективності магнітної обробки рідини є пристрої, що використовують рух магнітного потоку відносно розчину, що оброблюється Так, відомий пристрій, в якому здійснюється демшералізація або обезсолювання розчину під дією сили Лоренца в магнітному полі, яке створюється обертанням камери (А с № 7 1428709, МПК С02Р1/48, опубл в БВ № 37, 1988 р) Але селективне масоперенесення, що припускає наявність мас, які обертаються, суттєво ускладнює конструкцію та знижує и надійність На принципі застосування обертання магнітної системи створений пристрій, описаний в а с № 7 1820899 (МПК C02F1/48, опубл в БВ № 21, 1993 р) Оброблюваний розчин піддається дії магнітного поля, створюваного обертанням соленоїда Магнітне поле ІНІЦІЮЄ дію на розчин сил Лоренца, які переміщують їх в сторону концентричних камер Розчин надходить в камеру через перегородки (мембрани) Позитивний фактор наявності мембран завдячує, скоріш за все, виникненню явища зворотного осмосу, що підвищує ефективність обезсолювання розчину, але присутність мембран пов'язана з великою вірогідністю засмічування (забивання) мембран, що знижує надійність пристрою Та основним недоліком цього винаходу, як і вищезгаданого, є те, що в цих пристроях не відбувається розділення розчину на іони і виведення останніх За прототип запропонованого винаходу прийнятий спосіб магнітної обробки та демінералізації електроліту, що включає вплив на нього взаємно пересічних перемінних і синхронно змінних магнітного й електричного полів (А с № 1608136, МПК7 С02Р1/48, опубл в БВ № 43, 1990 р ) Згідно винаходу напрямок електричного струму змінюється синхронно зі зміною вектора напруженості магнітного поля Для забезпечення максимальної взаємодії магнітного та електричного полів застосовується додатковий пристрій - фазообертач За прототип винаходу прийнятий також пристрій магнітної обробки та демінералізації електроліту, що включає феромагнітний статор з обмотками створення електромагнітного поля, що обертається, і розміщений у ньому з утворенням кільцевої порожнини для проходу електроліту нерухомий сердечник, при цьому статор і сердечник виконані з пазами з розміщеними в них обмотками, ізольованими від оброблюваного електроліту, на торцях кільцевої порожнини встановлені електрично не ізольовані від оброблюваного електроліту електроди, підключені до обмотки сердечника, а також патрубки підведення оброблюваного і відводу обробленого електроліту (Патент Роси № 2127229, МПК7С02Р1/48, опубл в БВ № 7, 1999р) Сердечник (ротор) оснащений трифазною багато витко вою обмоткою Для одержання максимальної ЕДС на кінцях обмотки сердечник установлений нерухомо Ємність ДЛЯ рідини утворена між частинами герметизованих і електроізольованих статора і сердечника В описаному вище способі виключається поляризація електродів, однак, унаслідок малої швидкості переміщення ІОНІВ в об'ємі розчину, віддаленого від електродів, швидкість обробки розчину (швидкість перерозподілу концентрації) мала, що обмежує продуктивність цього способу Зазначені недоліки знижують можливості застосування способу для реалізації в промислових пристроях і обмежують область застосування останнього Недолік відомого пристрою, як і більшості пристроїв магнітної обробки рідини, полягає у першу чергу втому, що ефективність обробки рідини (води) не детермінована й у більшості випадків не може бути підтверджена безпосередньо об'єктивними показниками порівняння якості води до і після м обробки В цих пристроях не відбувається розділення розчину на іони, а рідина лише піддається одночасній обробці магнітним полем і електричним струмом В основу винаходу поставлена задача підвищення ефективності здійснення способу магнітної обробки та демінералізацм електроліту шляхом впливу на нього змінного магнітного поля, що рухається, та синхронного з ним електричного поля, яке рухається утому ж напрямку, в результаті чого магнітне поле ІНІЦІЮЄ виникнення сил Лоренца, які у взаємодії із направленими в одному напрямку з ними силами електричного поля підсилюють ступінь розділення та швидкість переміщення заряджених часток (домішок ІОННОГО характеру) в об'ємі розчину, віддаленого від електродів, що підвищує продуктивність процесу і обумовлює можливість глибокого очищення водних розчинів В основу винаходу поставлена також задача забезпечення високоефективного знесолення водних систем в пристрої магнітної обробки та демінералізацм електроліту шляхом удосконалення конструктивного виконання обмотки сердечника, зокрема, створення и багатофазною, розділення одного з електродів на ламелі та оптимізацм їх зв'язку з фазами обмотки, а також доповнення кільцевої порожнини пристрою перегородками, в результаті чого в точках розділення кожної з фаз, що підключені до ламелей, створюється є р с , яка рухається синхронно з магнітним полем, і обумовлює наявність в електроліті струмів, фазовий зсув яких забезпечує в кожній камері максимальну взаємодію магнітного поля з мігруючими іонами, та підвищує швидкість переміщення заряджених часток і, як наслідок, підсилює ступінь розділення Поставлена задача досягається за рахунок того, що у способі магнітної обробки та демінералізацм електроліту, що включає вплив на нього взаємно пересічних перемінних і синхронно змінних магнітного й електричного полів, згідно винаходу, вплив на електроліт здійснюють змінним магнітним полем, що рухається в один бік, а електричне поле створюють таким, що рухається у тому ж напрямку, синхронно з магнітним полем Поставлена задача вирішується також тим, що в пристрої магнітної обробки та демінералізацм електроліту, що включає феромагнітний статор з обмотками створення електромагнітного поля, що обертається, і розміщений у ньому з утворенням кільцевої порожнини для проходу електроліту нерухомий сердечник, при цьому статор і сердечник виконані з пазами з розміщеними в них обмотками, ізольованими від оброблюваного електроліту, на торцях кільцевої порожнини встановлені електрично не ізольовані від оброблюваного електроліту електроди, підключені до обмотки сердечника, а 47363 також патрубки підведення оброблюваного і відводу обробленого електроліту, згідно винаходу, обмотка сердечника виконана багатофазною, м фазні обмотки з'єднані послідовно, один з електродів розділений по числу фаз обмотки на взаємно ізольовані ламелі, кожна з яких підключена до ВІДПОВІДНИХ фазних обмоток, а кільцева порожнина розділена герметичними електроізолюючими перегородками на окремі камери, кожна з який містить додатковий патрубок для відводу концентрованого електроліту Вказаний вище технічний результат обумовлений ознаками запропонованого винаходу, що відрізняють його від відомих технологій магнітної обробки та очищення водних систем та пристроїв, призначених для цих цілей Сукупний вплив на електроліт синхронізовано змінюваних магнітного та електричного полів, вектори яких взаємно перпендикулярні, завжди обумовлюють однобічну направленість сил Лоренца в електроліті, що призводить до розділення його на очищену рідину та розсіл Але такої синхронності взаємодії обох полів є замало для забезпечення високої швидкості перерозподілу ІОНІВ Саме придания такому магнітному полю руху відносно оброблюваного розчину надає можливості інтенсифікувати швидкість міграції заряджених часток в об'ємі рідини, що віддалений від електродів Це відбувається за рахунок того, що сили Лоренца, наведені магнітним полем, збігаються за напрямком з силами електричного поля (яке в даному випадку є синхронним з магнітним і також рухається у його напрямку), і підвищують швидкість руху заряджених часток не тільки в приелектродних зонах, а і в усьому об'ємі розчину Відрізняючі ознаки пристрою, а саме - виконання обмотки сердечника багатофазною, кожна з фаз якої з'єднана з ВІДПОВІДНОЮ ламелею поділеного на них електроду, генерує в точках розділення фаз е р с , яка рухається синхронно з магнітним полем і обумовлює виникнення в ламінарному потоці рідини при подаванні м перпендикулярно магнітному полю, струмів, які забезпечують максимальну взаємодію магнітного поля з іонами Динаміка цього процесу виявляється у підвищенні швидкості селекції заряджених часток із розчину Розділення кільцевої порожнини (ємності ДЛЯ рідини) вертикальними герметичними й електроізолюючими перегородками на ряд камер (наприклад, кратно числу фаз статора), забезпечує створення в кожній із камер синхронних із зміною вектора магнітної індукції струмів, що перетинаються магнітним полем, яке рухається При перпендикулярності вектора магнітної індукції потоку оброблюваної води та його руху перпендикулярно наведеному в останньому електричного струму, з одного боку перегородки утворюється зона підвищеної концентрації розчину, який відводиться у вигляді розсолу Зсув заряджених часток у бік руху магнітного поля (до дренажного патрубка) призводить до зниження їх концентрації в протилежній частині камери (основного патрубка) Слід зазначити, що вплив безпосередньо на рідину магнітного поля, що рухається, приводить до виникнення сил Лоренца, у результаті яких збіднюється дифузійний шар заряду колоїдних міцел, що у кінцево 47363 8 му рахунку приводить до їхнього зсуву у бік дреперерозподіл концентрації домішок у камері нажного патрубка ПОСЛІДОВНІСТЬ підключення робочих камер моСуть винаходу пояснюють наведені креслення, жна варіювати як для підвищення глибини очиДе щення, так і для концентрації розсолу Фіг 4 відона фіг 1 - схематичне зображення пристрою бражає варіант підключення камер для для розділення електроліту, підвищення глибини очищення фільтрату, а фіг 5 для концентрації розсолу Літерами П, Р, Ф познана фіг 2 - схема з'єднань обмоток сердечника чені - початкова (вихідна) вода, розсіл та фільтрат в розгорнутому вигляді, (очищена вода) ВІДПОВІДНО При цьому стрілкою Г на фіг 3 - схематичне зображення камери і позначена операція підведення початкової води, розподіл в ній ІОНІВ, яка підлягає очищенню, стрілкою Д - відведення на фіг 4 - схема послідовного з'єднання камер розсолу в дренажний концентратор, стрілкою Е для підвищення глибини очищення розчину, відведення очищеної води (фільтрату), стрілкою Ж на фіг 5 - схема послідовного з'єднання камер для підвищення концентрації розсолу, - відведення концентрованого розсолу, стрілкою З на фіг 6 - приклад схематичного зображення - відведення води на додаткове очищення або в ЛІНІЙНОГО пристрою для розділення електроліту дренаж Запропонований пристрій містить статор 1, у Згідно фіг 4 в кожну наступну камеру вводитьпазах 2 якого розташовані, наприклад, трифазні ся фільтрат з попередньої камери Відведений обмотки 3, за допомогою яких створюється магнітфільтрат з останньої камери (показано стрілкою не поле, що обертається Усередині статора розЕ), що пройшов неодноразову обробку, характериташований шихтований сердечник (нерухомий зується високою глибиною очищення ротор) 4, у пазах 5 якого розташовані багатофазні Схема на фіг 5 демонструє ПОСЛІДОВНІСТЬ прообмотки 6, з'єднані послідовно аналогічно обмотходження розсолу з однієї робочої камери до іншої кам колекторного двигуна Пристрій містить верхні до досягнення ним високого ступеню концентрації електроди 7 та нижній 8, виконаний у вигляді суціТакі варіації підключення робочих камер можна льного кільця (пластини) Фазові виводи багатоздійснювати як з одним пристроєм, так і з декільфазної обмотки 6 підключені до ламелей 9 Схема кома У разі необхідності оброблення значних мас з'єднань обмоток сердечника (ротора) приведена рідини, де вимагається висока продуктивність, в розгорнутому вигляді на фіг 2 Нижній електрод 8 доцільно послідовно з'єднувати камери декількох проводить струм, максимальна е р с наводиться пристроїв на діаметрально протилежних ламелях 9, що приРеалізацію запропонованого способу висвітводить до утворення електричного ланцюга, що лює робота пристрою, призначеного для здійсненвключає дві ділянки оброблюваної рідини (на схемі ня цього способу При підключенні обмотки 3 стаприведені пунктиром Rp) Кільцева порожнина (ротора до джерела трифазного струму наводиться боча ємність) 10 утворена зазором між статором і змінний магнітний потік (магнітне поле), який генесердечником (ротором), поверхні яких герметизорує в обмотці сердечника і в рідині, яка знаходитьвані і електроізольовані одним із відомих способів ся в кільцевій порожнині 10, змінну е р с , синхро(компаунд, лак, склеювання і т д ) Кільцева поронізовану з магнітним полем Завдяки підключенню жнина 10 розділена герметичними перегородками кожної фази обмотки 6 сердечника до ВІДПОВІДНИХ 11 з ІЗОЛЯЦІЙНОГО матеріалу на окремі робочі камеламелей 9 в точках розділення фаз генерується ри 12 Об'єм камер замикається верхньою 13 і ние р с , яка рухається синхронно з магнітним полем жньою 14 кришками У верхній кришці розташовані Ламінарний потік оброблюваної рідини подається ВХІДНІ патрубки 15, об'єднані в загальний впускний перпендикулярно магнітному полю Одночасний колектор 16, через який надходить початкова вовплив на електроліт магнітного та електричного да У нижній кришці 14 кожна з камер постачена полів, вектори яких змінюються синхронно і напрадвома патрубками 17, що розташовані поруч із влені в один бік, обумовлюють однобічну направперегородками 11 Дренажні патрубки об'єднані в леність сил Лоренца в електроліті, що призводить дренажний колектор 18 Очищена вода надходить до розділення його на очищені рідину та розсіл до загального трубопроводу 19 При цьому інтенсифікується швидкість руху заряджених часток в об'ємі рідини, віддаленому від Схема камери і розподіл у ній ІОНІВ приведена електродів В кожній камері створюються синхрона фіг 3 Вхідний патрубок оснащений розподільнні із зміною вектора магнітної індукції струми, що ним пристроєм (на схемі не показано), за допомоперетинаються магнітним полем, яке рухається гою якого забезпечується ламшарність потоку в При перпендикулярності вектора магнітної індукції камері Робоча камера 12 має верхній патрубок потоку оброблюваної води та його руху перпендидля надходження води та два нижні, через які викулярно наведеному в цьому потоці електричного водиться засолений розчин (розсіл) та фільтрат струму, з одного боку перегородки утворюється (очищена рідина) В верхній частині камери розмізона підвищеної концентрації розчину, який відвощені ламелі 9 верхнього електроду 7, в нижній диться у вигляді розсолу Заряджені частки зсувачастині - нижній електрод 8 Літерами А, Б, В поються у бік руху магнітного поля (до дренажного значені напрямки сил Лоренца, сил електричного патрубка), що призводить до зниження їх концентполя та руху магнітного поля відносно камери ВІДрації в протилежній частині камери (основного ПОВІДНО патрубка) На схемі приведені миттєві напрямки дм сил електричного поля, однак, завдяки синхронності У результаті перерозподілу концентрацій дозміни напрямку струму і магнітного поля, сили Ломішок по об'єму камери, через дренажні патрубки ренца мають постійний напрямок, що і забезпечує виділені домішки відводяться в дренажний колек 47363 Ю ЗБОЛИТЬ підвищити відносну швидкість заряджених часток у магнітному полі до 400 - 500м/с Як приклад більш раціональної з позиції економи металу та використання виробничої площі може бути лінійна конструкція пристрою, схема якої наведена на фіг 6 Така конструкція забезпечує простіше складання в блоки окремих пристроїв, причому активний сердечник (що містить багатофазні обмотки) може бути один на весь блок, а ламелі верхнього електроду кожного з пристроїв, що входять в блок, з'єднані паралельно тор 18, а очищена вода через основні патрубки надходить у загальний трубопровід 19 Необхідно відзначити, що обертання магнітного поля зі швидкістю до 50м/с (на промисловій частоті 50Гц) приводить до виникнення сил Лоренца, що збігаються (при відповідному з'єднанні обмоток ротора) із силами електричного поля Завдяки цьому зростає швидкість міграції ІОНІВ В об'ємі розчину, віддаленого від електродів, що забезпечує підвищення швидкості й ефективності розподілу домішок Підвищення частоти до 400 - 500Гц до 16 17 Фіг 1 11 47363 12 9 Фіг. 2. • a Засолений розчин Фільтрат т t Фіг З П Р Р Ф Ф П д Р Ф Фіг, 4. Q И Ф Р Ф Р И и ф р I f Фіг, 5. 13 47363 A-A 18 Б| 17 ФІг. 6. ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна ( 0 4 4 ) 4 5 6 - 2 0 - 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71 14