Устройство предупреждения и удаления солевых отложений

Устройство предупреждения и удаления солевых отложений содержит блок 1 управления, транзистор 2, замкнутый ферритовый контур 3 и индуктивно-емкостный резонансный контур L-C, включающий обмотку 4 с постоянной индуктивностью L и группу включенных параллельно друг другу и обмотке 4 конденсаторов 5, значения емкости C ₁,С_i,C_N которых выполнены в соотношении, соответствующем C₁=1/L*f₀², где f₀ - начальная частота ряда, в общем случае равная 1 МГц. Управляющие выходы блока управления 1 подключены к затвору электронных " ключей 6 (Q₁ ,Q_N) включенным стоком последовательно к каждому, кроме первого, конденсаторам (C₂,C_N) и истоком к общему проводу контура. Все конденсаторы (C₁,C_N) подключены другим выводом к обмотке контура, туда же подключено положительное напряжение от блока питания. Сток транзистора 2 подключен к общему проводу контура, а исток к отрицательному напряжению блока питания. На затвор транзистора 2 подается управляющее напряжение от блока управления, который формирует импульсы тока в обмотке 4, охватывающей замкнутый ферритовый контур 3, выполненный с возможностью формирования импульсов электромагнитного поля вокруг заполненного перекачиваемой жидкостью обрабатываемого трубопровода 7..Один из конденсаторов 5 постоянно включен непосредственно в цепь, а каждый из остальных - через электромагнитные ключи 6. Ферритовый контур 3 выполнен из четного числа соединенных между собой пластин. Блок 1 управления выполнен, предпочтительно, в виде микропроцессора с программным обеспечением, созданным для формирования последовательности импульсов, в которой каждая последующая частота связана с предыдущей через соотношение «золотого сечения», равное 1,618. В результате реализации полезной модели обеспечено практически полное устранение образования и удаление отложений всего спектра солей, и увеличение быстродействия устройства, достигаемые за счет создания импульсов электромагнитного поля в диапазоне от 100 Гц до 1 МГц, приводящих к стимулированию развития дефектов в кристаллах солевых отложений.

Полезная модель относится к средствам защиты от накипеобразования внутренних поверхностей металлических и неметаллических труб, преимущественно, теплообменников и емкостей, контактирующих с водами и водными средами, с помощью электромагнитного поля.

Известно устройство для предотвращения накипеобразования внутренних поверхностей металлических и неметаллических труб, включающее трубчатый корпус с резьбовыми патрубками на торцах и магнитной системой на постоянных прямоугольных магнитах, закрепленных в стенках полого цилиндра, установленного в корпусе устройства коаксиально между торцами патрубков (RU 2010010).

Известно магнитное устройство для предотвращения накипеобразования, включающее корпус-трубопровод с входным и выходным патрубками, внутри или с внешней стороны которого установлено несколько пар постоянных магнитов или катушек электромагнитов, причем пары магнитов расположены друг от друга на расстояниях, величины которых являются членами геометрической прогрессии, а магниты размещены по длине корпуса с чередованием полюсов (SU 1212969).

Недостатком указанных устройств является низкая эффективность процесса коагуляции и степени противонакипной обработки, т.к. обработку воды производят магнитными полями, образованными постоянными магнитами, обращенными друг к другу разноименными полюсами, и при этом не учитываются свойства внутренней поверхности трубопровода, подсоединенного к выходному патрубку устройства.

Известно устройство защиты от накипеобразования внутренних поверхностей труб магнитным полем, содержащее корпус-трубопровод с патрубками на торцах и закрепленную на его оси магнитную систему, установленную внутри кожуха и представляющую собой последовательность установленных вдоль длины корпуса-трубопровода постоянных магнитов, находящихся на расстоянии друг от друга, отличающееся тем, что постоянные магниты магнитной системы обращены друг к другу одноименными полюсами, образуя магнитные пары, причем количество магнитных пар должно быть не менее двух. При этом постоянные магниты установлены с одной внешней стороны поверхности корпуса-трубопровода одноименными полюсами, причем количество магнитов должно быть не менее двух, постоянные магниты и магнитные пары установлены равномерно на внешней поверхности корпуса-трубопровода по винтовой линии (RU 84370)

Известен способ магнитной обработки жидкостей, включающий пропускание жидкости через магнитотрон, отличающийся тем, что через магнитотрон пропускают 100% потребного количества жидкости, а магнитной обработке в переменном во времени и градиентном в пространстве магнитном поле подвергают 20-30% всей жидкости с индукцией 20-80 мТл, возбуждаемом переменным током при частоте 25-100 Гц, при этом процесс смешивания с необработанным потоком жидкости происходит одновременно (RU 2118614).

Известно устройство защиты от накипеобразования, содержащее магнитную систему, электрод, электрически соединенный с генератором высокочастотных разнополярных колебаний, диэлектрический патрубок, отличающееся тем, что в него дополнительно введены токопроводящий корпус для прохода воды, магнитопровод так, что магнитопровод расположен аксиально в токопроводящем корпусе и является частью магнитной системы электромагнита, а диэлектрический патрубок, аксиально расположенный в корпусе, примыкает к магнитопроводу со стороны подвода обрабатываемой воды, электрод коаксиально посажен на диэлектрический патрубок, токопроводящий корпус электрически соединен с генератором высокочастотных разнополярных колебаний, причем колебания генератора имеют прямоугольную форму (RU 2174959, прототип)

Недостатком известных устройств является низкая эффективность, т.е. не полное удаление отложений, и большая длительность процесса противонакипной обработки.

Технической задачей полезной модели является создание эффективного устройства предупреждения и удаления солевых отложений (накипи), а также расширение арсенала устройств предупреждения и удаления солевых отложений.

Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи состоит в увеличении эффективности, т.е. обеспечении практически полного устранения образования и удаления отложений всего спектра солей, и увеличении быстродействия устройства, достигаемых за счет создания импульсов электромагнитного поля в диапазоне от 100 Гц до 1 МГц, приводящих к стимулированию развития дефектов в кристаллах солевых отложений.

Сущность полезной модели заключается в том, что устройство предотвращения и удаления солевых отложений в трубопроводе содержит блок питания, блок управления, транзистор, замкнутый ферритовый контур, а также индуктивно-емкостный резонансный контур, включающий обмотку и группу включенных параллельно друг другу и с обмотке конденсаторов, при этом управляющие выходы блока управления подключены к обмоткам управляемых электронных ключей, включенных последовательно конденсаторам, и к затвору транзистора, исток которого соединен с минусом источника питания, а сток - с упомянутой обмоткой, охватывающей ферритовый контур, выполненный с возможностью формирования импульсов электромагнитного поля и установки вокруг заполненного перекачиваемой жидкостью обрабатываемого трубопровода из проводящего материала..

Предпочтительно каждый из конденсаторов, за исключением одного, включен в цепь через управляемый электронный ключ, ферритовый контур выполнен из четного числа соединенных между собой пластин, блок управления выполнен в виде микропроцессора, значения емкостей конденсаторов соотносятся между собой через величину 0,382, причем блок управления выполнен с программным обеспечением для формирования последовательности импульсов, в которой начальная частота ряда равна 1 МГц, а каждая последующая частота связана с предыдущей через соотношение «золотого сечения», равное 1,6188.

На чертеже изображена принципиальная блок-схема устройства «Эхостроб» предупреждения и удаления солевых отложений.

Устройство предупреждения и удаления солевых отложений содержит блок 1 управления, транзистор 2, замкнутый ферритовый контур 3 и индуктивно-емкостный резонансный контур L-C, включающий обмотку 4 с постоянной индуктивностью L и группу включенных параллельно друг другу и обмотке 4 конденсаторов 5.

Блок 1 управления выполнен, предпочтительно, в виде микропроцессора с программным обеспечением для формирования последовательности импульсов, в которой каждая последующая частота связана с предыдущей через соотношение «золотого сечения», равное 1,618.

Значения емкости C₁,C_i,C_N конденсаторов 5 выполнены в соотношении, соответствующем C₁=1/L*f₀², где f₀ - начальная частота ряда, в общем случае равная 1 МГц. Таким образом, емкость С₂ =1/L*(1,618f₀)², откуда С₂=0,382 C₁, С₃=0,382 С₂, C_n+1 =0,382 Сn либо Сn=(0,382)^n-1*C₁.

Таким образом, в том случае, когда значение f₀=1 МГц, а каждая последующая частота импульсов (числовое значение) f _n связана с предыдущей через выбранное соотношение, равное 1,618, числовые значения емкостей конденсаторов 5 соотносятся между собой через безразмерную величину 0,382.

В общем случае, при любой конкретной индуктивности L обмотки 4, числовые значения емкостей конденсаторов 5 выполняются в соотношении, соответствующем последовательности числовых значений частот импульсов f и образуют числовой ряд Cn=1/L*f_n². Учитывая, что L=const, ряд значений емкостей конденсаторов 5 может быть представлен в виде: Cn=С_n-1 (f_n-1/f_n)².

Управляющие выходы блока 1 управления подключены к обмоткам (затворам) управляемых электронных ключей 6, включенных стоком последовательно к каждому, кроме первого, конденсаторам 5 (С₂,C_N) и истоком к общему проводу контура. Все конденсаторы 5 подключены другим выводом к обмотке 4 контура, туда же подключено положительное напряжение от блока 8 питания. Сток транзистора 2 подключен к общему проводу контура, а исток - к отрицательному напряжению блока 8 питания. На затвор транзистора 2 подается управляющее напряжение от блока 1 управления, который формирует импульсы тока в обмотке 4, охватывающей замкнутый ферритовый контур 3, выполненный с возможностью формирования импульсов электромагнитного поля вокруг заполненного перекачиваемой жидкостью обрабатываемого трубопровода 7.

Один из конденсаторов 5 включен в цепь непосредственно, а каждый из остальных - через управляемые электронные ключи 6. Ферритовый контур 3 выполнен из четного числа соединенных между собой пластин (не изображены). Четное количество ферритных пластин (элементов) необходимо для того, чтобы ферритовый контур 3 был состыкован в одной плоскости. В случае нечетного количества элементов, один из них будет располагаться под неким углом к плоскости кольца контура 8, что нежелательно по условиям технологии сборки (ферриты - очень хрупкие материалы).

Таким образом, устройство предупреждения и удаления солевых отложений представляет из себя индуктивно-емкостный контур (4, 5), формирующий импульсы электромагнитного поля (ИЭМП) на ферритовый замкнутый контур 3, который является передатчиком ИЭМП на проводящие элементы (стальной трубопровод 7) внутри контура 3.

Устройство предупреждения и удаления солевых отложений работает следующим образом.

При включении блока 8 питания, микропроцессор блока 1 управления выдает сигналы на транзистор 2 и один или несколько управляемых электронных ключей 6, и определяет тем самым частоту выдаваемого импульса магнитного поля, в соответствии с программно-заданными временными интервалами.

Микропроцессор блока 1 формирует управляющие сигналы на транзистор 2 и, в заданной последовательности на соответствующий управляемый электронный ключ 6. Включение управляемого электронного ключа 6 приводит к созданию электромагнитного контура L-C в составе обмотки 4, конденсатора 5 (C₁ ) и одного из остальных конденсаторов 5 (С₂С_N). В этом контуре транзистор 2 формирует затухающий импульсный сигнал. В результате протекания тока по электромагнитному контуру L-C в ферритовом контуре 3 формируются импульсы электромагнитного поля в диапазоне от 100 Гц до 1 МГц. Предпочтительно, значения частот составляют следующий ряд: 100 Гц, 170 Гц, 280 Гц, 450 Гц, 730 Гц, 1180 Гц, 1920 Гц, 3100 Гц, 5 кГц, 8 кГц, 13 кГц, 21 кГц, 34 кГц, 55 кГц, 90 кГц, 146 кГц, 236 кГц, 382 кГц, 618 кГц, 1 МГц, в котором каждая последующая частота связана с предыдущей через соотношение «золотого сечения», равное 1,618.

Как правило, продолжительность четных (по количеству) импульсов в 1,618 раз больше продолжительности нечетных импульсов.

Импульсы электромагнитного поля воздействуют на проводящие материалы трубопровода 7, расположенные внутри контура 3 (стальная труба, вода) и на кристаллы отложений.

В любом кристалле, в том числе, и в солевых кристаллических отложениях накипи, имеются дефекты, т.е. нарушения, кристаллической решетки. Дефекты могут быть точечными, поверхностными и объемными. В слою очередь точечные дефекты разделяются на собственные и примесные. К собственным дефектам относятся вакансии (узел решетки кристалла, в котором отсутствует атом), междоузельные атомы (атом смешенный из своего положения в кристалле, его место занимает либо вакансия, либо примесный ион), френкелевские пары (вакансия+междоузельный атом), а также комплексы упомянутых дефектов. Во всех минералах существуют линейно ориентированные скопления точечных дефектов. ИЭМП переводит междоузельный атом в возбужденное состояние. Возбуждение импульсным электромагнитным полем молекулярной связи приводит к повышению химической активности междоузельного иона Другими словами, часть возбужденных воздействием ИЭМП атомов переходит из междоузельного положения в положение близлежащих вакантных узлов решетки.

Снижение исходного содержания вакансий в кристалле соли из-за занятия их позиций возбужденными ионами, находившимися до воздействия ИЭМП в междоузлиях, приводит к возникновению в кристалле напряжений упругого сжатия. Далее этот возбужденный атом приводит к разрыву химической связи, получая дополнительную энергию за счет тепловых колебаний решетки. Это в свою очередь неизбежно приводит к постепенному разрушению кристаллов солей и, следовательно, отложений.

Программа выдачи сигналов - частота и периоды между сигналами реализуются программируемым микропроцессором блока 1 и группой параллельно соединенных конденсаторов 5 различной емкости.

Меняя с помощью включения-выключения электронных ключей 6 емкость контура задается порядок следования частот ИЭМП. В частных случаях устройство может работать с минимальным рядом частот (не менее 3-х значений частот, связанных межу собой соотношением «золотого сечения»).

Воздействие импульсов электромагнитного поля на обрабатываемый трубопровод 7 выражается в развитии локальных дефектов на поверхности кристаллов отложений (окислов металлов, карбидов, углекислые соли кальция и магния, кремнекислые соединения кальция, магния, железа, алюминия) и, как следствие, их разрушении.

Экспериментально получены данные, говорящие о наибольшей эффективности удаления солей с поверхности труб в случае приведенного соотношения частот и емкостей конденсаторов 5. Однако это не исключает иных случаев реализации устройства.

В ряде проведенных экспериментов лучший результат был достигнут при следующих условиях:

Участок трубопровода 7 длиной 2 м диметром 108 мм с внутренними отложениями гидратированного оксида железа (III) Fе₂ О₃·nН₂О и метагидроксида железа (FeO(OH), Fе(ОН)₃) по внутренней поверхности трубопровода 7 толщиной от 3 до 17 мм.

Ферритовый контур 3 индуктивностью 52 мкГн собран из шести магаитомягких термостабильных ферритов для слабых магнитных полей - ферритовых пластин с относительной магнитной проницаемостью µ_н=1000 и рабочим диапазоном частот до 1 МГц. Блок 1 управления содержал микропроцессор PIC18F67J60. В качестве транзистора 2 использован полевой транзистор IRFI4510, а также использованы конденсаторы 5, значения емкостей которых, указанные в таблице, соотносятся между собой через величину 0,382, При этом блок 1 управления осуществлял формирование последовательности импульсов, в которой начальная частота ряда равна 1 МГц, а каждая последующая частота связана с предыдущей через соотношение «золотого сечения», равное 1,618, согласно таблице.

В результате обработки солей отложения в течение 1000 часов, максимальная толщина солей внутри трубопровода 7 составила 5 мм.

Таким образом, обеспечено практически полное устранение образования и удаление отложений всего спектра солей, и увеличение быстродействия устройства, достигаемые за счет создания импульсов электромагнитного поля, приводящих к стимулированию развития дефектов в кристаллах солевых отложений.

1. Устройство предотвращения и удаления солевых отложений в трубопроводе, содержащее блок питания, блок управления, транзистор, замкнутый ферритовый контур, а также индуктивно-емкостный резонансный контур, включающий обмотку и группу включенных параллельно друг другу и обмотке конденсаторов, при этом управляющие выходы блока управления подключены к обмоткам управляемых электронных ключей, включенных последовательно конденсаторам, и к затвору транзистора, исток которого соединен с минусом источника питания, а сток - с упомянутой обмоткой, охватывающей ферритовый контур, выполненный с возможностью формирования импульсов магнитного поля и установки вокруг заполненного перекачиваемой жидкостью обрабатываемого трубопровода из проводящего материала.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый из конденсаторов, за исключением одного, включен в цепь через электронный ключ.

3. Устройство по любому из пп.1 и 2, отличающееся тем, что ферритовый контур выполнен из четного числа соединенных между собой пластин.

4. Устройство по любому из пп.1 и 2, отличающееся тем, что блок управления выполнен в виде микропроцессора.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что значения емкостей конденсаторов соотносятся между собой через величину 0,382, причем блок управления выполнен с программным обеспечением для формирования последовательности импульсов, в которой начальная частота ряда равна 1 МГц, а каждая последующая частота связана с предыдущей через соотношение «золотого сечения», равное 1,618.