Жесткость воды обусловлена наличием в ней солей кальция и магния, которые поступают в подземную воду из омываемых ею грунтов. Просачивание воды через почву приводит к изменению ее солевого состава. Жесткость природных вод не является вредной для здоровья, а скорее наоборот, т.к. кальций способствует выводу из организма кадмия, отрицательно влияющего на сердечно-сосудистую систему.

Однако повышенная жесткость делает воду непригодной для хозяйственно-бытовых нужд, поэтому, согласно ГОСТ 2874-82, норма общей жесткости составляет 7 мг-экв/л, а допустимая величина — 10 мг-экв/л. Значительное количество магния также ухудшает органолептические свойства воды. Использование жесткой воды в хозяйственно-бытовых и промышленных нуждах приводит к весьма нежелательным последствиям:

1. Непроизводительный расход моющих средств при стирке. Это объясняется тем, что ионы кальция и магния, взаимодействуя с мылами, представляющими собой соли жирных кислот, образуют в воде нерастворимые осадки. Подсчитано, что на каждый литр воды с жесткостью 7,1 мгэкв/л перерасходуется 2,4 г мыла.
2. Преждевременный износ тканей при стирке в жесткой воде. Волокна тканей адсорбируют кальциевые и магниевые мыла, а это делает их хрупкими и ломкими.
3. В жесткой воде мясо и бобовые плохо развариваются, при этом понижается питательность продуктов. Вываренные из мяса белки переходят в нерастворимое состояние и плохо усваиваются организмом.
4. Усиление коррозии нагревательных элементов бытовых приборов и теплообменников вследствие гидролиза (взаимодействия с водой) магниевых солей и повышения рН воды.
5. Соли кальция и магния образуют твердые отложения (накипь, шлам, водный камень) на поверхности теплообменников и гидравлических бытовых приборов, что снижает экономичность их работы. Металл под нерастворимым осадком CaCO3 перегревается и размягчается, потому что накипь обладает малой теплопроводностью и ее наличие на нагревательных элементах обуславливает увеличение энергозатрат.

Все это приводит к необходимости проведения ремонтных работ, замены трубопроводов и оборудования и, конечно, требует значительных вложений денежных средств. Для умягчения воды традиционно применяются химические методы (реагентный — связывание катионов Ca2+ и Mg2+ практически в нерастворимые соединения; ионный обмен — замена с помощью фильтрования через специальные материалы ионов Ca2+ и Mg2+ на ионы Na+ и Н+).

Альтернативным способом умягчения или, правильнее назвать, способом борьбы с известковыми отложениями является электромагнитная обработка воды. Процессы, протекающие при электромагнитной обработке воды, чрезвычайно разнообразны и сложны, поэтому нет еще единого мнения о механизме этих явлений. Существует ряд гипотез воздействия электромагнитного поля на ионы солей, растворенных в воде.

Первая состоит в том, что под влиянием магнитного поля происходит поляризация и деформация ионов, сопровождающаяся уменьшением их гидратации (степени “рассеянности” в толще воды), повышающей вероятность их сближения и, в конечном счете, образования центров кристаллизации; вторая предполагает действие магнитного поля на коллоидные примеси воды; третья гипотеза объединяет представления о возможном влиянии магнитного поля на структуру воды.

Это влияние, с одной стороны, может вызвать изменения в агрегации молекул воды, с другой — нарушить ориентацию ядерных спинов водорода в ее молекулах. Обработка воды в магнитном поле в основном применяется для борьбы с накипеобразованием. Сущность метода состоит в том, что при пересечении водой магнитных силовых линий катионы солей жесткости выделяются не на поверхности нагрева, а в массе воды.

Метод эффективен при обработке вод кальциевого-карбонатного класса, которые составляют около 80% вод всех водоемов нашей страны и охватывают примерно 85% ее территории. Уменьшение образования накипи и других отложений солей остается наиболее широкой областью применения магнитной обработки. Если в воде присутствуют диссоциирующие соли (реальная вода), при магнитной обработке происходит несколько процессов:

• смещение электромагнитными силами полей равновесия между структурными компонентами воды;
• физико-химический механизм увеличения центров кристаллизации в объеме жидкости после ее магнитной обработки, а также изменение скорости коагуляции (слипания и укрупнения) дисперсных частиц в потоке жидкости.

Известно, что магнитная обработка водных систем приводит к следующим физико-химическим изменениям: скорость растворения неорганических солей увеличивается в десятки раз (для MgSO4 — в 120 раз!), в воде после магнитной обработки увеличивается концентрация растворенного кислорода. Также имеются данные, указывающие на бактерицидное действие магнитной обработки воды. По сравнению с традиционным умягчением воды ее магнитная обработка более проста, безопасна и экономична.

Обработанная магнитным способом вода не приобретает никаких побочных, вредных для здоровья человека свойств и не меняет солевой состав, сохраняя вкусовые качества питьевой воды. В приборе MultiSafe — новейшей разработке немецкой фирмы SYR — реализован описанный выше метод электромагнитной обработки воды. Принцип работы MultiSafe заключается в предотвращении образования и выпадения осадков CaCO3 и Mg(OH)2 из обрабатываемой воды за счет изменения ее коллоидно-химического состояния под действием переменного магнитного поля.

Электроды обработочной камеры являются источниками выделения из воды коллоидно-дисперсных частиц карбоната кальция, выполняющих роль центров кристаллизации-затравки. Это самопроизвольное выделение — один из эффективных способов предотвращения образования твердых отложений кальция и магния. Образование твердой фазы происходит на этой затравке благодаря электродинамической диссоциации молекул воды на катионы Н+ и анионы ОН.

ОН-ионы изменяют рН воды в сторону повышения ее щелочности, что приводит к смещению углекислотного равновесия воды от гидрокарбонат-иона (НСО3) к карбонат-иону (СО3 2), т.е. нарушается динамическое равновесие системы, которое может быть описано реакцией:

2НСО3 <=> СО3 2+ СО2 + Н2О

Карбонат-ион СО3 2, вступая в реакцию с растворенным в воде ионом кальция Ca2+ , образует карбонат кальция CaCO3 — более мелкую и легкорастворимую фазу по сравнению с Са(НСО3)2 — образуется так называемая кайма затравочных кристаллов. Далее процесс интенсифицируется. На затравочных кристаллах образуются дополнительные места кристаллизации (сцепления) молекул солей кальция и магния.

Образованные агрегатные структуры остаются во взвешенном мелкодисперсном состоянии и вымываются потоком воды. Рост кристаллов особенно наглядно проявляется при нагреве воды. При этом вода слегка мутнеет. Это обусловлено тем, что, медленно разрастаясь, кристаллы начинают рассеивать свет. Максимально их величина может достигать лишь тысячной доли миллиметра, что не дает им возможности образовывать твердые отложения в виде осадка и накипи.

Обработанная таким образом вода сохраняет антинакипный эффект в течение 28 суток в отличие от других подобных устройств магнитной обработки, представленных в данный момент на российском рынке, результат обработки которых сохраняется от двух до пяти дней. По истечении данного срока вода должна быть обработана повторно. Имеются достоверные эмпирические данные (результаты анализа) о каталитическом действии магнитной обработки MultiSafe на закисную форму железа (Fe2+). Вода, прошедшая установку и дополнительно обработанная угольным фильтром, не содержит Fe2+ , и концентрации на выходе с установки по окисному железу Fe3+ снижены более чем в 3 раза.

Ведь при прочих равных условиях исходная вода не подвергалась процессу обезжелезивания. Наряду с этим магнитная обработка MultiSafe способствует активации процессов адсорбции различных примесей органического происхождения. Магнитная обработка также влияет на электрокинетический потенциал и агрегативную устойчивость взвешенных частиц, благодаря чему ускоряет их осаждение, т.е. способствует извлечению из воды разного рода взвесей.

Прибор устанавливается на вводе холодной воды в дом для одной или даже нескольких семей, т.к. пропускная способность позволяет обрабатывать до 3 м3/ч. Устройство не требует специального обслуживания, процесс полностью автоматизирован. Все обслуживание прибора сводится к замене обработочной камеры через 1,5-2 года работы, что эквивалентно объему воды, потребляемой среднестатистической семьей за данный период.

Прибор MultiSafe находит применение в системах водоснабжения и отопления отдельного дома, коттеджа, для подготовки воды в водогрейных паровых котлах, оборотной воды котельных, для подготовки технологической воды в пищевой, целлюлозно-бумажной, текстильной и других отраслях промышленности и т.д. MultiSafe совмещает в себе функции и устройства защиты, наблюдения и регулировки системы водообеспечения, а именно:

• модуль электродинамической обработки воды;
• система защиты от несанкционированного расхода, например, прорыва труб и разного рода утечек;
• система диагностики и управления работой прибора, а также дополнительные устройства дальнейшей обработки воды, например, фильтры механической очистки DRUFI и угольный фильтр фирмы SYR
• индикация сбоев и неполадок в работе системы.

Перечисленные модули управляются при помощи центрального процессора. Благодаря жидкокристаллическому дисплею становится возможным отображение, программирование и изменение режимов работы. С помощью клавиатуры можно задать дополнительные пользовательские и рабочие установки. Таким образом, при помощи прибора MultiSafe происходит обработка водного потока переменным магнитным полем.

В результате чего изменяется структура и степень гидратации ионов растворенных солей, и тем самым создаются условия для образования ионных ассоциатов, количество которых зависит от напряженности электромагнитного поля, диамагнитной восприимчивости ионов и других факторов. Возникающие под влиянием магнитного поля ионные ассоциаты являются зародышами новой фазы — сублимикроскопической — и коллоидной стадии дисперсности и впоследствии выполняют роль дополнительных центров кристаллизации. Прямое воздействие магнитного поля на ионы примесей способствует активации процессов адсорбции и открывает широкие перспективы для водоподготовки в целом.

О. В. Мосин, канд. хим. наук

В статье приводится обзор перспективных современных направлений и подходов в практической реализации противонакипной магнитной обработки воды в теплоэнергетике и смежных отраслях промышленности, в т.ч. в водоподготовке, для устранения накипеобразования cолей жесткости (карбонатные, хлоридные и сульфатные соли Ca 2+ , Mg 2+ , Fe 2+ и Fe 3+) в теплообменной аппаратуре, трубопроводах и сантехнических системах. Рассмотрены принципы физического воздействия магнитного поля на воду, параметры протекающих в воде физико-химических процессов и поведение расстворенных в подвергнутой магнитной обработке воде солей жесткости. Показано, что воздействие магнитного поля на воду носит комплексный многофакторный характер. Приведены конструктивные особенности выпускаемых отечественной промышленностью аппаратов магнитной обработки воды на постоянных и электромагнитах – гидромагнитных систем (ГМС), магнитных преобразователях и магнитных активаторов воды. Дана эффективность использования аппаратов магнитной обработки воды в водоподготовке.

Введение

Воздействие магнитного поля на воду носит комплексный многофакторный характер и в конечном результате сказывается на изменениях структуры воды и гидратированных ионов, физико-химических свойствах и поведении растворённых в ней неорганических солей . При воздействии на воду магнитного поля в ней изменяются скорости химических реакций за счет протекания конкурирующих реакций растворения и осаждения растворенных солей, происходит образование и распад коллоидных комплексов, улучшается электрохимическая коагуляция с последующей седиментацией и кристаллизацией солей . Также имеются достоверные данные, указывающие на бактерицидное действие магнитного поля , что существенно для использования магнитной обработки воды в сантехнических системах, где требуется высокий уровень микробной чистоты.

В настоящее время гипотезы, объясняющих механизм воздействия магнитного поля на воду подразделяются на три основные взаимодополняющие группы – коллоидные, ионные и водные. Первые предполагают, что под влиянием магнитного поля в обрабатываемой воде происходит спонтанное образование и распад коллоидных комплексов ионов металлов, фрагменты распада которых формируют центры кристаллизации неорганических солей, что ускоряет их последующую седиментацию. Известно, что наличие в воде ионов металлов (особенно железа Fe 3+) и микровключений из ферромагнитных частиц железа Fe 2 O 3 интенсифицирует образование коллоидных гидрофобных золей ионов Fe 3+ с ионами хлора Cl - и молекулами воды Н 2 О общей формулы . 3zCl - , что может привести к появлению центров кристаллизации на поверхности которых адсорбируются катионы кальция Ca 2+ и магния Mg 2+ , составляющие основу карбонатной жесткости воды, и образованию мелкодисперстного кристаллического осадка, выпадающего в виде шлама. При этом, чем больше и устойчивее гидратная оболочка ионов, тем труднее им сближаться или оседать на адсорбирующих комплексах на поверхностях раздела жидкой и твердой фаз.

Гипотезы второй группы объясняют действие магнитного поля поляризацией растворённых в воде ионов и деформацией их гидратных оболочек, сопровождающаяся уменьшением гидратации – важного фактора, обуславливающего растворимость солей в воде, электролитическую диссоциацию, распределение веществ между фазами, кинетику и равновесие химических реакций в водных растворах, в свою очередь повышающей вероятность сближения гидратов ионов и процессы седиментации и кристаллизации неорганических солей . В научной литературе имеются экспериментальные данные, подтверждающие, что под влиянием магнитного поля происходит временная деформация гидратных оболочек расстворенных в воде ионов, а также изменяется их распределение между твердой и жидкой водяной фазой . Предполагается, что воздействие магнитного поля на расстворенные в воде ионы Ca 2+ , Mg 2+ , Fe 2+ и Fe 3+ может быть также связано с генерированием в движущемся потоке воды слабого электрического тока или с пульсацией давления .

Гипотезы третьей группы постулируют, что магнитное поле за счет поляризации дипольных молекул воды оказывает воздействие непосредственно на структуру ассоциатов воды, образованных из множества молекул воды, связанных друг с другом посредством низкоэнергетичных межмолекулярных ван-дер-вальсовых, диполь-дипольных и водородных связей, что может привести к деформации водородных связей и их частичному разрыву, миграции подвижных протонов Н + в ассоциативных элементах воды и перераспределению молекул воды во временных ассоциативных образованиях молекул воды – кластерах общей формулы (Н 2 О) n , где n по последним данным может достигать от десятков до нескольких сотен единиц . Эти эффекты в совокупности могут привести к изменению структуры воды, что обуславливает наблюдаемые изменения её плотности, поверхностного натяжения, вязкости, значения рН и физико-химических параметров протекающих в воде процессов, в т. ч. растворения и кристаллизации расстворенных в воде неорганических солей . В результате содержащиеся в воде магниевые и кальциевые соли теряют способность формироваться в виде плотного отложения - вместо карбоната кальция СаСО 3 образуется более щадящая мелкокристаллическая полиморфная форма СаСО 3 , по структуре напоминающая арагонит, который или совсем не выделяется из воды, поскольку рост кристаллов останавливается на стадии микрокристаллов, или выделяется в виде тонкодисперсной взвеси, скапливающейся в грязевиках или отстойниках. Также имеются сведения о влиянии магнитной водообработки на уменьшение концентрации в воде кислорода и углекислого газа, что объясняется возникновением метастабильных клатратных структур катионов металлов по типу гексааквакомплекса [Са(Н 2 О 6)] 2+ . Комплексное воздействие магнитного поля на структуру воды и гидратированные катионы солей жесткости открывает широкие перспективы для использования магнитной обработки воды в теплоэнергетике и смежных отраслях промышленности, в т.ч. в водоподготовке.

Магнитная обработка воды широко внедряется во многих отраслях промышленности, сельском хозяйстве и медицине. Так, в строительстве обработка цемента магнитной водой в процессе его гидратации сокращает сроки затвердевания клинкерных составляющих цемента с водой, а мелкокристаллическая структура формирующихся твердых гидратов придает изделиям большую прочность и повышает их стойкость к агрессивным воздействиям окружающей среды . В сельском хозяйстве пятичасовое замачивание семян в омагниченной воде заметно повышает урожай; полив омагниченной водой стимулирует на 15-20% рост и урожайность сои, подсолнечника, кукурузы, помидоров . В медицине применение намагниченной воды способствует растворению почечных конкрементов, оказывает бактерицидное действие . Предполагается, что биологическая активность омагниченной воды связана с повышением проницаемости биологических мембран тканевых клеток за счёт большей структурированности омагниченной воды, т.к. под воздействием магнитного поля молекулы воды, представляющие собой диполи ориентируются упорядоченно относительно полюсов магнита .

Перспективно использование магнитной обработки в водоподготовке для умягчения воды, поскольку ускорение процесса кристаллизации накипеобразующих солей в воде при магнитной обработке, приводит к значительному уменьшению концентраций растворенных в воде ионов Ca 2+ и Mg 2+ за счет процесса кристаллизации и уменьшения размеров кристаллов, осаждающихся из нагреваемой воды, подвергнутой магнитной обработке. Для удаления из воды трудно осаждаемых тонких взвесей (мути) используется способность омагниченной воды изменять агрегатную устойчивость и ускорять коагуляцию (слипание и осаждение) взвешенных частиц с последующим образованием мелкодисперстного осадка, что способствует извлечению из воды разного рода взвесей. Омагничивание воды может применяться на водопроводных станциях при значительной мутности природных вод; аналогичная магнитная обработка промышленных стоков позволяет достаточно быстро и эффективно осаждать мелкодисперсные загрязнения.

Магнитная обработка воды помогает не только предотвращать выпадение накипеобразующих солей из воды, но и значительно уменьшать отложения органических веществ, например, парафинов. Такая обработка оказывается полезной в нефтедобывающей промышленности при добыче высокопарафиновой нефти, причем эффекты магнитного поля возрастают, если нефть содержит воду.

Наиболее востребованной и эффективной магнитная обработка воды оказалась в теплообменных устройствах и системах, чувствительных к накипи – в виде образующихся на внутренних стенках труб паровых котлов, теплообменников и других теплообменных аппаратов твёрдых отложений гидрокарбонатных (углекислые соли кальция Са(НСО 3) 2 и и магния Mg(НСО 3) 2 при нагреве воды разлагающиеся на СаСО 3 и Mg(OH) 2 с выделением СО 2), сульфатных (CaSO 4 , MgSO 4), хлоридных (MgSO 4 , MgCl 2) и в меньшей мере силикатных (SiO 3 2-) солей кальция, магния и железа .

Повышенная жесткость делает воду непригодной для хозяйственно-бытовых нужд, а несвоевременная очистка теплообменников и труб от накипи в виде карбонатных, хлоридных и сульфатных солей Ca 2+ , Mg 2+ и Fe 3+ приводит к уменьшению диаметра трубопровода, что ведёт к повышенному гидравлическому сопротивлению, что в свою очередь негативно сказывается на работе теплообменного оборудования. Поскольку накипь обладает чрезвычайно малым коэффициентом теплопроводности, чем металл, из которого изготовлены нагревательные элементы, на подогрев воды расходуется больше времени. Поэтому с течением времени энергетические потери могут сделать работу теплообменника на такой воде неэффективной или вовсе невозможной. При большой толщине внутреннего слоя накипи происходит нарушение циркуляции воды; в котельных установках это может привести к перегреву металла, и, в конечном итоге, к его разрушению. Все эти факторы приводят к необходимости проведения ремонтных работ, замены трубопроводов и сантехнического оборудования и требует значительных капитальных вложений и дополнительных денежных расходов с целью очистки теплообменной аппаратуры. В целом, магнитная обработка воды обеспечивает снижение коррозии стальных труб и оборудования на 30-50% (в зависимости от состава воды), что дает возможность увеличить срок эксплуатации теплоэнергетического оборудования, водопроводов и паропроводов и существенно снизить аварийность .

Согласно СНиП 11-35-76 “Котельные установки”, магнитную обработку воды для теплооборудования и водогрейных котлов целесообразно проводить, если содержание ионов железа Fe 2+ и Fe 3+ в воде не превышает 0,3 мг/л, кислорода - 3 мг/л, постоянная жесткость (CaSO 4 , CaCl 2 , MgSO 4 , MgCl 2) - 50 мг/л, карбонатная жёсткость (Са(НСО 3) 2 , Mg(НСО 3) 2) не выше 9 мг-экв/л, а температура нагрева воды не должна превышать 95 0 С. Для питания паровых котлов – стальных, допускающих внутрикотловую обработку воды, и чугунных секционных – использование магнитной технологии обработки воды возможно, если карбонатная жёсткость воды не превышает 10 мг-экв/л, содержание Fe 2+ и Fe 3+ в воде - 0,3 мг/л, при поступлении воды из водопровода или поверхностного источника . Ряд производств устанавливает более жесткие регламентации к технологической воде, вплоть до глубокого умягчения (0,035-0,05 мг-экв/л): для водотрубных котлов (15-25 ати) - 0,15 мг-экв/л; жаротрубных котлов (5-15 ати) - 0,35 мг-экв/л; котлов высокого давления (50-100 ати) - 0,035 мг-экв/л.

Магнитная обработка воды по сравнению с традиционными способами умягчения воды ионным обменом и обратным осмосом технологически проста, экономична и экологически безопасна. Обработанная магнитным полем вода не приобретает никаких побочных, вредных для здоровья человека свойств и существенно не меняет солевой состав, сохраняя качества питьевой воды. Использование других методов и технологий может быть связано с увеличением материальных затратат и проблемами утилизации использованных в процессе водоподготовки химических реагентов (чаще всего кислот). При этом часто приходится вкладывать дополнительные материальные затраты, изменять режим работы тепловых аппаратов, применять специальные химические реагенты, изменяющие солевой состав обрабатываемой воды и др. В ионнообменных умягчителях воды используются Na + -катиониты, которые после катионирования регенерируются раствором хлористого натрия (NaCl) . Это создает проблемы для окружающей среды из-за необходимости утилизации промывных вод с высоким содержанием солей натрия. Воду умягчают также с помощью обратноосмотических мембранных фильтров, проводящих ее глубокое обессоливание. Однако этот метод менее распространен из-за высокой стоимости мембран и ограниченного ресурса их работы.

Магнитная обработка воды лишена вышеперечисленных недостатков и эффективна при обработке кальциево-карбонатных вод, которые составляют около 80% всех вод России. Сферы применения магнитной обработки воды в теплоэнергетике охватывают паровые котлы, теплообменники, бойлеры, компрессорное оборудование, системы охлаждения двигателей и генераторов, генераторы пара, сети снабжения горячей и холодной водой, системы централизованного отопления, трубопроводы и другое теплообменное оборудование.

Учитывая все эти тенденции и перспективы использования магнитной водообработки во многих отраслях промышленности, в настоящее время весьма актуальна разработка новых и совершенствование существующих технологий магнитной обработки воды для достижения более высокой эффективности работы и функционирования аппаратов магнитной обработки воды с целью более полного извлечения из воды солей жесткости и повышения ресурсов их работы.

Механизм воздействия магнитного поля на воду и конструкции аппаратов магнитной обработки воды

Принцип действия существующих магнитных аппаратов умягчения воды основан на комплексном многофакторном воздействии магнитного поля, генерируемого постоянными магнитами или электромагнитами на растворённые в воде гидратированные катионы металлов и структуру гидратов и водных ассоциатов, что приводит к и зменению скорости электрохимической коагуляции (слипания и укрупнения) дисперсных заряженных частиц в потоке намагниченной жидкости и образованию многочисленных центров кристаллизации, состоящих из кристаллов практически одинакового размера .

В процессе магнитной обработки воды происходят несколько процессов:

Смещение электромагнитным полем равновесия между структурными компонентами воды и гидратированными ионами;

Увеличение центров кристаллизации растворенных в воде солей в заданном объеме воды на микровключениях из дисперстных феррочастиц;

Изменение скорости коагуляции и седиментации дисперсных частиц в обрабатываемом магнитном поле потоке жидкости.

Противонакипный эффект при магнитной обработке воды зависит от состава обрабатываемой воды, напряженности магнитного поля, скорости движения воды, продолжительности ее пребывания в магнитном поле и других факторов. В целом, противонакипный эффект при магнитной обработке воды усиливается с повышением температуры обрабатываемой воды; при более высоком содержании ионов Ca 2+ и Mg 2+ ; с увеличением значения рН воды: а также при уменьшении общей минерализации воды.

При движении потока молекул воды в магнитном поле перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, вдоль оси Y (см. вектор V), будет возникать момент сил F1, F2 (сила Лоренса), пытающихся развернуть молекулу в горизонтальной плоскости (рис. 1). При движении молекулы в горизонтальной плоскости, вдоль оси Z , будет возникать момент сил в вертикальной плоскости. Но полюса магнита будут всегда препятствовать повороту молекулы, и поэтому тормозить движение молекул перпендикулярно линиям магнитного поля. Это приводит к тому, что в молекуле воды, помещённой между двумя полюсами магнита остаётся только одна степень свободы – колебание вдоль оси X - силовых линий приложенного магнитного поля. По всем остальным координатам движение молекул воды будет ограниченным: молекула воды становится "зажатой" между полюсами магнита, совершая лишь колебательные движения относительно оси X. Определённое положение диполей молекул воды в магнитном поле вдоль силовых линий поля будет сохраняться, тем самым делая расположение диполей воды более упорядоченным.

Рис. 1. Поведение молекулы воды в магнитном поле.

Экспериментально доказано, что на неподвижную воду магнитные поля действуют гораздо слабее, поскольку обрабатываемая вода обладает некоторой электропроводностью; при ее перемещении в магнитных полях генерируется небольшой электрический ток . Поэтому данный способ обработки движущейся в потоке воды часто обозначается магнитогидродинамической обработкой (МГДО). С использованием современных методов МГДО можно добиться таких эффектов в водоподготовке как, увеличение значения рН воды (для уменьшения короззионной активности потока воды), создание локального увеличения концентрации ионов в локальном объёме воды (для преобразования избыточного содержания ионов солей жёсткости в тонкодисперсную кристаллическую фазу и предотвращения выпадения солей на поверхности трубопроводов и теплообменного оборудования) и др. .

Конструктивно большинство аппаратов магнитной обработки воды представляют собой магнитодинамическую ячейку, изготавливаемую в виде полого цилиндрического элемента из ферромагнитного материала, с магнитами внутри, врезающегося в водопроводную трубу с помощью фланцевого или резьбового соединения с кольцевым зазором, площадь поперечного сечения которого не меньше площади проходного сечения подводящего и отводящего трубопроводов, что не приводит к существенному падению давлению на выходе апарата . В результате ламинарного стационарного течения электропроводящей жидкости, каковой является вода, в магнитодинамической ячейке, находящейся в однородном поперечном магнитном поле с индукцией B 0 (рис. 2), генерируется сила Лоренца , величина которой зависит от заряда q частицы, скорости её движения u и индукции магнитного поля B .

Сила Лоренца направлена перпендикулярно скорости движения жидкости и к линиям индукции магнитного поля В , в результате чего заряжённые частицы и ионы в потоке жидкости движутся по окружности, плоскость которой перпендикулярна линиям вектора B . Таким образом, выбирая необходимое расположение вектора магнитной индукции В относительно вектора скорости потока жидкости, можно целенаправленно воздействовать на ионы солей жёсткости Ca 2+ , Mg 2+ , Fe 2+ и Fe 3+ , перераспределяя их в заданном объёме водной среды.

Рис. 2 – Схема течения потока воды в магнитогидродинамической ячейке. σ - электропроводность стенок ячейки; В 0 – амплитудное значение вектора индукции магнитного поля.

Согласно теоретическим расчётам, чтобы инициировать кристаллизацию солей жёсткости внутри объёма движущейся по трубе жидкости от стенок труб в зазорах магнитного устройства, задаётся такое направление индукции магнитного поля В 0 , при котором в середине зазоров образовалась зона с нулевым значением индукции. С этой целью магниты в устройстве располагаются одинаковыми полюсами навстречу друг другу (рис. 3). Под действием силы Лоренца в водной среде возникает противоток анионов и катионов, взаимодействующих в зоне с нулевым значением магнитной индукции, что способствует созданию в этой зоне концентрации взаимодействующих друг с другом ионов, что приводит к их последующему осаждению и созданию центров кристаллизации накипеобразующих солей.

Рис. 3 – Схема расположения магнитов, линий индукции, векторов силы Лоренца и ионов в МГДО. 1 – анионы, 2 – направление индуцированных токов, 3 – зоны с нулевым значением индукции, 4 – катионы.

Отечественной промышленностью выпускается два типа аппаратов для магнитной обработки воды (АМО) – на постоянных магнитах и работающих от источников переменного тока электромагнитах (соленоид с феромагнетиком), генерирующих переменное магнитное поле. Кроме устройств с электромагнитами применяются аппараты импульсного магнитного поля, распространение которого в пространстве характеризуется частотной модуляцией и импульсами с интервалами в микросекунды, способные генерировать сильные с индукцией 5-100 Тл и сверхсильные магнитные поля с индукцией более 100 Тл. Для этого используются главным образом геликоидальные соленоиды, изготовленные из прочных сплавов стали и бронзы. При получении сверхсильных постоянных магнитных полей с большей индукцией используются сверхпроводящие электромагниты

Требования, регламентирующие условия работы всех аппаратов магнитной обработки воды следующие:

Подогрев воды в аппарате должен быть не выше 95 °С;

Суммарное содержание хлоридов и сульфатов Са 2+ и Mg 2+ (CaSO 4 , CaCl 2 , MgSO 4 , MgCl 2) - не более 50 мг/л;

Карбонатная жесткость (Са(НСО 3) 2 , Mg(НСО 3) 2), - не выше 9 мг-экв/л;

Скорость движения потока воды в аппарате 1-3 м/с.

В магнитных аппаратах, работающих от электромагнитов, вода подвергается непрерывному регулируемому воздействию магнитного поля различной напряженности с чередующимися по направлению векторами магнитной индукции, а электромагниты могут быть расположены как внутри, так и вне аппарата. Электромагнит состоит из трехобмоточной катушки и магнитопровода, образуемого сердечником, кольцами каркаса катушки и кожухом. Между сердечником и катушкой образован кольцевой зазор для прохода обрабатываемой воды. Магнитное поле дважды пересекает поток воды в направлении, перпендикулярном ее движению. Блок управления обеспечивает однополупериодное выпрямление переменного тока в постоянный. Для установки электромагнита в трубопровод предусмотрены переходники. Сам аппарат нужно устанавливать как можно ближе к защищаемому оборудованию. При наличии в системе центробежного насоса аппарат магнитной обработки устанавливается после него.

В конструкциях магнитных аппаратов второго типа применяются постоянные магниты на основе современных порошкообразных носителей - магнитофоров, ферромагнетиков из феррита бария и редкоземельных магнитных материалов из сплавов редкоземельных металлов неодима (Nd), самария (Sm) с цирконием (Zr), железом (Fe), медью (Cu), титаном (Ti), кобальтом (Co) и бором (B). Последние на основе неодима (Nd), железа (Fe), титана (Ti) и бора (B) предпочтительнее, т.к. они обладают большим сроком эксплуатации, намагниченностью 1500-2400 кА/м, остаточной индукцией 1,2-1,3 Тл, энергией магнитного поля 280-320 кД/м 3 (табл. 1) и не теряют своих свойств при нагреве до 150 0 С.

Таблица 1. Основные физические параметры редкоземельных постоянных магнитов.

Постоянные магниты, ориентированные определенным образом располагаются соосно внутри цилиндрического корпуса магнитного элемента, изготовленного из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т, на концах которого находятся снабженные центрирующими элементами конусные наконечники, соединенные аргонно-дуговой сваркой. Основным элементом магнитного преобразователя (магнитнодинамичейской ячейки) является многополюсный магнит цилиндрической формы, создающий симметричное магнитное поле, аксиальная и радиальная составляющие которого при переходе от полюса к полюсу магнита меняют направление на противоположное. За счет соответствующего расположения магнитов, создающих высокоградиентные поперечные магнитные поля по отношению к водяному потоку, достигается максимальная эффективность воздействия магнитного поля на расстворенные в воде ионы накипеобразующих солей. В результате кристаллизация накипеобразующих солей происходит не на стенках теплообменников, а в объеме жидкости в виде мелкодисперсной взвеси, которая удаляются потоком воды при продувки системы в специальные отстойники или грязевики, устанавливаемого в любой системе отопления, горячего водоснабжения, а также в технологических системах различного назначения. Оптимальный интервал скоростей движения потока воды для ГМС составляет 0,5-4,0 м/с, оптимальное давление – 16 атм. Срок эксплуатации составляет, как правило, 10 лет.

В экономическом плане более выгодно использовать аппараты на постоянных магнитах. Основной недостаток этих аппаратов в том, что постоянные магниты на основе феррита бария размагничиваются на 40-50% после 5 лет эксплуатации. При проектировании магнитных аппаратов задается тип аппарата, eгo производительность, индукция магнитного поля в рабочем зазоре или соответствующая ей напряженность магнитного поля, скорость воды в рабочем зазоре, время прохождения водой активной зоны аппарата, состав ферромагнетика (аппараты с электромагнитами), магнитный сплав и размеры магнита (аппараты с постоянными магнитами).

Выпускаемые отечественной промышленностью устройства магнитной обработки воды подразделяются на работающие на электромагнитах аппараты магнитной обработки воды (АМО) и использующие постоянные магниты гидромагнитные системы (ГМС), магнитные преобразователи (гидромультиполи) (МПВ, MWS, ММТ) и активаторы воды серий АМП, МПАВ, МВС, КЕМА бытового и промышленного назначения. Большинство из них схожи по конструкции и принципу действия (рис. 4 и рис. 5). ГМС выгодно отличаются от магнитных устройств на основе электромагнитов и магнитотвердых ферритов, поскольку при их эксплуатации отсутствуют проблемы, связанные с потреблением электроэнергии и с ремонтом при электрическом пробое обмоток электромагнита . Эти аппараты могут быть установлены как в промышленных, так и в бытовых условиях: в магистралях, подающих воду в водопроводные сети, бойлерах, проточных водонагревателях, паровых и водяных котлах, системах водонагрева различного технологического оборудования (компрессорные станции, электрические машины, термическое оборудование и др.). Хотя ГМС рассчитаны на расход воды от 0,08 до 1100 м 3 /час, соответственно на трубопроводы диаметром 15-325 мм, однако есть опыт создания магнитных аппаратов для ТЭЦ с размерами трубопровода 4000 х 2000 мм.

Рис. 4 Виды аппаратов для магнитной обработки воды (ГМС) на постоянных магнитах с фланцевыми (вверху) и резьбовыми (внизу) соединениями.

Рис. 5. Аппарат магнитной обработки воды на электромагнитах АМО-25УХЛ.

Современные аппараты для магнитной обработки воды на основе постоянных (табл. 1) и электромагнитов (табл. 2) используются для предотвращения накипи; для снижения эффекта накипеобразования в трубопроводах горячего и холодного водоснабжения общехозяйственного, технического и бытового назначения, нагревательных элементов котельного оборудования, теплообменников, парогенераторов, охлаждающего оборудования и т.п.; для предотвращения очаговой коррозии в трубопроводах горячего и холодного водоснабжения общехозяйственного, технического и бытового назначения; осветления воды (например после хлорирования); в этом случае скорость осаждения накипеобразующих солей увеличивается в 2-3 раза, что требует отстойники меньшей емкости; для увеличения фильтроцикла систем химической водоподготовки - фильтроцикл увеличивается в 1,5 раза при уменьшении потребление реагентов, а также для очистки теплообменных агрегатов . При этом аппараты магнитной обработки воды могут использоваться самостоятельно или как составная часть любых установок, подверженных накипеобразованию в процессе эксплуатации - систем подготовки воды в жилых помещениях, коттеджах, детских и лечебно-профилактических учреждениях, для водоподготовки в пищевой промышленности и т.п. Применение этих аппаратов наиболее эффективно для обработки воды с преобладанием карбонатной жесткости до 4 мг-экв/л, и общей жесткости до 6 мг-экв/л при общей минерализации до 500 мг/л.

Табл. 2. Технические характеристики отечественных аппаратов магнитной обработки воды на постоянных магнитах.

Основные характеристики:

· Условный диаметр (мм.): 10 ; 15; 20; 25; 32

· Номинальное давление (МПа): 1

Параметр	Модель аппарата
	АМП 10 РЦ	АМП 15 РЦ	АМП 20РЦ	АМП25РЦ	АМП32РЦ
Амплитудное значение магнитной индукции (В 0) на поверхности рабочей зоны, мТл	180
Количество рабочих зон	5
Номинальный расход воды, миним./норм./макс. м 3 /час	0.15/0.5/0.71	0.35/1.15/1.65	0.65/1.9/2.9	1.0/3.0/4.5	1.6/4.8/7.4
Диаметр условного прохода, мм	10	15	20	25	32
Соединение, дюйм	½	1/2	3/4	1	1 1 / 4
Максимальное рабочее давление, МПА)	1
Рабочий температурный интервал эксплуатации, 0 С	5–120
Размеры, (LxD), мм	108х32	124х34	148х41	172х50	150х56
Масса, кг	0.5	0.75	0.8	1.2	1.8

Табл. 3. Технические характеристики отечественных аппаратов магнитной обработки воды на электромагнитах.

Основные характеристики:

· Условный диаметр (мм.): 80 ; 100; 200; 600

· Номинальное давление (МПа): 1.6

Параметр	Модель аппарата
	АМО-25УХЛ	АМО-100УХЛ		АМО-200УХЛ	AMO-600УХЛ
Напряжение, В	220
Частота сети, Гц	60
Производительность по обрабатываемой воде м 3 /ч	25		100	200	600
Напряженность магнитного поля, кА/м	200
Температура обрабатываемой воды, °С	60		40	50	70
Рабочее давление воды, МПа	1,6
Потребляемая электромагнитом мощность, КВт	0,35		0,5	0,5	1,8
Габаритные размеры электромагнита, мм	260х410		440х835	520х950	755х1100
Габаритные размеры блока питания, мм	250х350х250
Масса электромагнита, кг	40		200	330	1000
Масса блока питания, кг	8,0

На основании данной работы можно сделать следующие выводы:

1) при магнитной обработке воды происходит воздействие на саму воду, на механические примеси и ионы накипеобразующих солей и на природу протекающих в воде физико-химических процессов расстворения и кристаллизации;

2) в воде, прошедшей магнитную обработку, возможны изменения гидратации ионов, растворимости солей, значения рН, что выражается в изменении химических реакций и скорости коррозионных процессов.

Таким образом, магнитная обработка воды является перспективным динамично развивающимся современным направлением в водоподготовке для умягчения воды, вызывающее множество сопутствующих физико-химических эффектов, физическую природу и область применения которых еще только начинают изучать. Сейчас отечественной промышленностью выпускаются различные аппараты магнитной обработки воды на постоянных и электромагнитах, находящие широкое применение в теплоэнергетике и водообработке. Неоспоримыми достоинствами магнитной обработки в отличие от традиционных схем умягчения воды с помощью ионного обмена и обратного осмоса является простота технологической схемы, экологическая безопасность и экономичность. Кроме этого метод магнитной обработки воды не требует каких-либо химических реактивов и поэтому является экологически чистым.

Несмотря на все достоинства аппаратов магнитной обработки воды, на практике эффект магнитного поля зачастую проявляется только в первый период эксплуатации, затем эффект постепенно снижается. Это явление потери магнитных свойств воды называется релаксацией. Поэтому в тепловых сетях кроме омагничивания подпиточной воды часто необходимо обрабатывать воду, циркулирующую в системе путем создания так называемого антирелаксационного контура, при помощи которого обрабатывается вся вода, циркулирующая в системе.

Список литературы

1. Очков В. Ф. Магнитная обработка воды: история и современное состояние // Энергосбережение и водоподготовка, 2006, № 2, с. 23-29.

2. Классен В. И. Омагничивание водных систем, Химия, Москва, 1978, с. 45.

3. Соловьева Г. Р. Перспективы применения магнитной обработки воды в медицине, В сб.: Вопросы теории и практики магнитной обработки воды и водных систем, Москва, 1974, с. 112.

4. Креетов Г. А. Термодинамика ионных процессов в растворах, 2 изд., Ленинград, 1984.

5. Мартынова О. И., Гусев Б.Т., Леонтьев Е.А., К вопросу о механизме влияния магнитного поля на водные растворы солей // Успехи физических наук, 1969, № 98, с. 25-31.

6. Чеснокова Л.Н. Вопросы теории и практики магнитной обработки воды и водных систем, Цветметинформация, Москва, 1971, с. 75.

7. Kronenberg K. Experimental evidence for the effects of magnetic fields on moving water // IEEE Transactions on Magnetics (Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., 1985, V. 21, № 5, p. 2059–2061.

8. Мосин О.В., Игнатов И. Структура воды и физическая реальность // Сознание и физическая реальность. 2011, Т. 16, № 9, с. 16-32.

9. Банников В.В. Электромагнитная обработка воды. // Экология производства, 2004, № 4 , с. 25-32.

10. Пороцкий Е.М., Петрова В.М. Исследование влияния магнитной обработки воды на физико-химические свойства цемента, раствора и бетона, Материалы научной конференции, ЛИСИ, Ленинград, 1971, с. 28-30.

11. Espinosa A.V., Rubio F. Soaking in water treated with electromagnetic fields for stimulation of germination in seeds of pawpaw (Carica papaya L.) // Centro Agricola, 1997, V. 24, № 1, p. 36-40.

12. Гребнев А.Н., Классен В.И., Стефановская Л.К., Жужгова В.П. Растворимость мочевого камня человека в омагниченной воде, В сб.: Вопросы теории и практики магнитной обработки воды и водных систем, Москва, 1971, с. 142.

13. Шимкус Э.М., Аксенов Ж.П., Каленкович Н.И., Живой В.Я. О некоторых лечебных свойствах воды, обработанной магнитным полем, в сб.: Влияние электромагнитных полей на биологические объекты, Харьков, 1973, с. 212.

14. Штереншис И.П. Современное состояние проблемы магнитной обработки воды в теплоэнергетике (обзор), Атоминформэнерго, Москва, 1973, с. 78.

15. Мартынова О.И., Копылов А.С., Теребенихин У.Ф., Очков В.Ф. К механизму влияния магнитной обработки на процессы накипеобразования и коррозии // Теплоэнергетика, 1979, №. 6, с. 34-36.

16. СНиП 11-35-76 “Котельные установки”. Москва, 1998.

17. Щелоков Я.М. О магнитной обработке воды // Новости теплоснабжения, 2002, Т. 8, № 24, с. 41-42.

18. Присяжнюк В.Я. Жесткость воды: способы умягчения и технологические схемы // СОК, Рубрика Сантехника и водоснабжение, 2004, № 11, с. 45-59.

19. Тебенихин Е.Ф., Гусев Б.Т. Обработка воды магнитным полем в теплоэнергетике, Энергия, Москва, 1970, с. 144.

20. С. И. Кошоридзе С.И., Левин Ю.К. Физическая модель снижения накипеобразования при магнитной обработке воды в теплоэнергетических устройствах // Теплоэнергетика, 2009, № 4, с. 66-68.

Гульков А.Н., Заславский Ю.А., Ступаченко П.П. Применение магнитной обработки воды на предприятиях Дальнего Востока, Владивосток, изд-во Дальневосточного университета, 1990, с. 134.

21. Савельев И.В. Курс общей физики, том 2, Электричество и магнетизм. Волны. Оптика, Наука, Москва, 1978, с. 480.

22. Брановер Г.Г., Циннобер А.Б. Магнитная гидродинамика несжимаемых сред, Наука, Москва, 1970, с. 380.

23. Домнин А.И. Гидромагнитные системы – устройства для предотвращения образования накипи и точечной коррозии // Новости теплоснабжения, 2002, Т. 12, № 28, с. 31-32.

24. Мосин О.В. Магнитные системы обработки воды. Основные перспективы и направления // Сантехника, 2011, № 1, c. 21-25.

Владельцы патента RU 2429206:

Изобретение относится к технике обработки воды и предназначено для очистки и предотвращения образования твердых отложений на рабочих поверхностях элементов систем водоподготовки и водоснабжения. Устройство содержит последовательно включенные блок управления 4, блок генерации сигналов 1 и источник питания 6. Вход блока управления 4 подключен к шине управления 12. Устройство также содержит блок индикации 5 и трансформатор тока 7, состоящий из индуктивного элемента 8 с эластичным магнитопроводом 9, радиально закрепленным на элементе технологического объекта 10. Блок генерации сигналов 1 выполнен в виде последовательно включенных микроконтроллера 2 и усилителя мощности 3, подключенного к выводам индуктивного элемента 8 трансформатора тока 7. Управляющий вывод усилителя мощности 3 подключен ко второму выходу блока управления 4. Первый и второй выходы блока управления 4 подключены к управляющим входам микроконтроллера 2 и блока индикации 5. Силовые выводы блока индикации 5, микроконтроллера 2 и усилителя мощности 3 подсоединены к одноименным выходам источника питания 6. Второй информационный выход микроконтроллера 2 подключен ко второму входу блока индикации 5. Технический результат: расширение области технического использования устройства за счет более эффективной обработки воды. 3 ил.

Изобретение относится к технике обработки воды и предназначено для очистки и предотвращения образования твердых отложений на рабочих поверхностях элементов систем водоподготовки и водоснабжения.

Носителем в системах водоснабжения и водоподготовки выступает вода с минеральными солями (магния, кальция и др.), которые делают ее «жесткой» и способствуют к образованию на рабочих поверхностях элементов систем твердых отложений в виде накипи. Особенно интенсивно этот процесс происходит в системах водоподготовки на этапе нагрева носителя. Известно, что нарост накипи на стенках тепловых агрегатов помимо сужения внутреннего диаметра змеевиков ухудшает теплообмен за счет снижения теплопроводности и ведет к энергетическим потерям.

Сегодня известны химические и физические методы по предотвращению и разрушению образовавшейся накипи. Особого внимания заслуживает электромагнитный метод обработки воды, который в последнее время все шире применяется в системах водоподготовки и водоснабжения благодаря положительным результатам и простой технической реализации такого устройства. Так, из источников научно-технической и патентной информации известны следующие технические решения по электромагнитной обработке воды, актуальность которых очевидна на данный момент времени.

Известно устройство для электромагнитной обработки воды по Патенту GB №2312635, C02F 1/48, приоритет 29.04.1996, опубл. 05.11.1997. Устройство содержит последовательно включенные источник питающего напряжения, генераторный блок и антенну, выполненную в виде соленоида со свободным концом, закрепленного на трубе с водой. Генераторный блок содержит двухфазный генератор электрических колебаний. Его сигналы сложной формы проходят в антенну-соленоид и воздействуют на воду, протекающую через трубу.

Известно устройство для электромагнитной обработки жидкости по А.с. SU №865832, C02F 1/48, опубл. 23.09.1981, которое содержит последовательно включенные схему управления, трехфазный тиристорный преобразователь и трехфазные электромагнитные обмотки, закрепленные на диамагнитном объекте воздействия. Тиристорный преобразователь подключен к питающей трехфазной сети.

В качестве прототипа выбрано устройство для омагничивания лекарственных и пищевых жидкостей по Патенту RU №2089513, C02F 1/48, опубл. 10.09.1997. Оно содержит устройство управления, управляющее работой источника переменного тока через токовый ключ, и соленоид, закрепленный на кювете с жидкостью. В соленоид проходят электрические сигналы от источника переменного тока по закону работы устройства управления.

Рассмотренные аналоги и выбранный прототип имеют общие недостатки, которые заключаются в неэффективной обработке воды по изменению ее физического состояния. Так, в известных устройствах электромагнитное воздействие на технологический объект - преимущественно воду, осуществляется по сигналам источника переменного сетевого напряжения (тока), модуляцию которых осуществляет электронный ключ (например, тиристор) по закону электрического генератора (устройства управления). Интенсивность этих колебаний, как правило, не регулируется. Как показывает практика, для эффективного изменения физических свойств воды требуется формирование широкополосных сигналов воздействия заданной мощности по закону случайной функции.

Поэтому достичь желаемого результата при обработке носителя (воды) за короткий промежуток времени в этом случае не представляется возможным, что дает основание говорить о неэффективности известных устройств электромагнитной обработки воды, ведущей к ограничению области технического использования на объектах водоподготовки и водоснабжения.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в расширении области технического использования за счет более эффективной обработки воды и предотвращения отложений в системах водоподготовки и водоснабжения.

Достижение технического результата в предлагаемом устройстве для электромагнитной обработки воды, содержащем последовательно включенные блок управления, блок генерации сигналов и источник вторичного электропитания, выводы блока генерации сигналов подключены к выводам индуктивного элемента, а вход блока управления подключен к шине управления, обеспечивается введением блока индикации и трансформатора тока, состоящим из индуктивного элемента с эластичным магнитопроводом, радиально закрепленным на элементе технологического объекта, при этом блок генерации сигналов выполнен в виде последовательно включенных микроконтроллера и усилителя мощности, подключенного к выводам индуктивного элемента трансформатора тока, его управляющий вывод подключен к второму выходу блока управления, первый и второй выходы блока управления подключены к управляющим входам микроконтроллера и блока индикации соответственно, силовые выводы блока индикации, микроконтроллера и усилителя мощности подсоединены к одноименным выходам блока вторичного электропитания, второй информационный выход микроконтроллера подключен к второму входу блока индикации.

Устройство для электромагнитной обработки воды поясняется чертежами. На фиг.1 приведена блок-схема устройства, на фиг.2 и фиг.3 показаны возможные варианты размещения трансформатора тока устройства на поверхности технологического объекта.

Устройство для электромагнитной обработки воды (фиг.1) содержит блок 1 генерации сигналов (БГС), состоящий из последовательно включенных микроконтроллера 2 и усилителя 3 мощности, блок 4 управления, блок 5 индикации, источник 6 питания, трансформатор 7 тока в виде индуктивного элемента 8 и эластичного магнитопровода 9, технологический объект 10 с магнитопроводящей поверхностью 11 и шину 12 управления.

Первый, второй и третий выводы блока 4 управления подключены к выводам микроконтроллера 2, усилителя 3 мощности и блока 5 индикации, а управляющий вход подключен к шине 12 управления. Микроконтроллер 2 через усилитель 3 мощности подключен к выводам индуктивного элемента 8 трансформатора 7 тока, радиально закрепленного на магнитопроводящей поверхности 11 технологического объекта 10 посредством эластичного магнитопровода 9. Второй информационный вывод микроконтроллера 2 подключен к другому входу блока 5 индикации. При этом его силовые выводы, силовые выводы микроконтроллера 2 и усилителя 3 БГС 1 подсоединены к соответствующим выходам источника 6 питания.

Устройство работает следующим образом.

Первоначально устройство (фиг.1) находится в исходном состоянии. Его перевод в рабочее состояние осуществляется подачей сигнала «Управление» по шине 12 управления, который проходит на блок 4 управления. Блок 4 управления в следующий момент вырабатывает управляющие сигналы, задающие режим работы микроконтроллера 2 и значение токового сигнала усилителя 3 мощности блока 1 генерации сигналов БГС. Режим работы БГС 1 отображается на индикаторах блока 5 индикации устройства. При этом на микроконтроллер 2 и усилитель 3 мощности БГС 1, блок 5 индикации с выводов источника 6 питания подаются соответствующие рабочие напряжения, необходимые для их функционирования.

На первом сигнальном выходе микроконтроллера 2 БГС 1 формируется цифровая последовательность сигналов по заданному случайному закону, которая, проходя через усилитель 3 мощности, преобразуется в токовые импульсы заданной длительности, поступает на индуктивный элемент 8 трансформатора 7 тока. В результате индуктивный элемент 8 возбуждает в эластичном магнитопроводе 9 импульсный магнитный поток случайной последовательности, который замыкается через корпус технологического объекта 10 (трубопровод системы водоснабжения или водоподготовки из ферромагнитного материала).

В свою очередь, наведенный импульсный магнитный поток случайной последовательности через магнитопроводящую поверхность 11 технологического объекта 10 воздействует на носитель (воду) и изменяет ее физические свойства в течение определенного периода времени через процессы коагуляции. С целью повышения эффективности этого воздействия в трансформаторе 7 тока магнитопровод 9 выполнен эластичным в виде ленты определенного типоразмера, позволяя более плотно облегать корпус (трубопровод) технологического объекта 10 при поперечном (фиг.2) или поперечно-продольном (фиг.3) расположении, снижая магнитные потери за счет уменьшения магнитного сопротивления.

Поперечно-продольная компановка трансформатора 7 тока на корпусе технологического объекта 10 (фиг.3) позволяет увеличить протяженность зоны контактного электромагнитного воздействия на носитель на величину длины площади намотки L пл эластичного магнитопровода 9:

L пл =πD·tgα·n,

где D - диаметр намотки, tgα - угол подъема витка намотки, n - число витков намотки. При этом площадь S=L пл ·l окр =n 2 D 2 ·tgα·n, здесь l окр - длина окружности винтовой намотки, контактного взаимодействия возрастает в n раз относительно поперечной компановки (фиг.2) трансформатора 7 тока на технологическом объекте 10, способствуя повышению эффективности устройства при электромагнитной обработке воды.

Для технологического объекта 10 с магнитонепроводящей поверхностью (диамагнитный трубопровод пластик-алюминий-пластик) трансформатор 7 тока устанавливается на его поверхности (фиг.2, фиг.3) описанными способами через подстилающую магнитопроводящую поверхность 11, например в виде пленки зоны воздействия.

Формирование импульсного магнитного потока случайной последовательности ведет к снижению электромагнитного шума, способствуя, тем самым, повышению электромагнитной совместимости электронных устройств в соответствии с действующими стандартами.

Таким образом, повышение эффективности обработки воды в предлагаемом устройстве достигается за счет применения трансформатора 7 тока с малыми магнитными потерями при использовании эластичного магнитопровода 9, увеличения площади S контактного воздействия на носитель, формирования электрических импульсов возбуждения по заданному случайному закону с последующей регулировкой их мощности. Это позволяет за более короткий временной интервал при минимальных энергетических затратах направленно изменять физическое состояние носителя (воды) за счет процессов коагуляции минеральных солей, расширяя область технического использования устройства, что отличает его от аналогов и выбранного прототипа , обеспечивая достижение положительного эффекта.

Практическая реализация устройства (только для пояснения): в блоке генерации сигналов 1 применен микроконтроллер 2 серии MSP-430; усилитель мощности 3 выполнен регулируемым по известной схеме на ОУ К140УД7, транзисторах КТ814, КТ815 с RC-элементами; блок управления 4 представляет собой многоконтактный механический переключатель; блок 5 индикации выполнен по типовой схеме с использованием светодиодов АЛС324, К176ИД2; источник питания 6 собран по известной схеме стабилизированного выпрямителя с двухполупериодным выпрямителем и стабилизатором на ИМС серии К142ЕН; трансформатор тока 7 - реализован в виде многослойной катушки индуктивности (индуктивный элемент 8), размещенной на эластичном магнитопроводе 9 из физически мягкой ферроленты F96 фирмы Keratherm-Ferrite (Германия); технологический объект 10 - это металлическая труба с носителем системы водоподготовки. Других особенностей предлагаемое устройство не имеет и может быть промышленно реализовано.

Источники информации

1. Патент GB №2312635, C02F 1/48. Опубл. 05.11.1997.

3. Патент RU №2089513, C02F 1/48. Опубл. 10.09.1997, прототип.

Устройство для электромагнитной обработки воды, содержащее последовательно включенные блок управления, блок генерации сигналов и источник питания, выводы блока генерации сигналов подключены к выводам индуктивного элемента, а вход блока управления подключен к шине управления, отличающееся тем, что в него введен блок индикации и трансформатор тока, состоящий из индуктивного элемента с эластичным магнитопроводом, радиально закрепленным на элементе технологического объекта, при этом блок генерации сигналов выполнен в виде последовательно включенных микроконтроллера и усилителя мощности, подключенного к выводам индуктивного элемента трансформатора тока, его управляющий вывод подключен к второму выходу блока управления, первый и второй выходы блока управления подключены к управляющим входам микроконтроллера и блока индикации соответственно, силовые выводы блока индикации, микроконтроллера и усилителя мощности подсоединены к одноименным выходам источника питания, второй информационный выход микроконтроллера подключен к второму входу блока индикации.

Похожие патенты:

Изобретение относится к электровихревой обработке воды, используемой для питьевых целей, в промышленности, медицине, микроэлектронике и для орошения сельскохозяйственных культур в системах капельного орошения с регулированием окислительно-восстановительных свойств.

Механизм воздействия на обрабатываемую воду имеет физический (безреагентный) характер. Кальций, гидрокарбонатные соли, в водном растворе существуют в форме положительно и отрицательно заряженных ионов. Из этого вытекает возможность эффективного воздействия на них с помощью электромагнитного поля. Если на трубопровод с протекающей жидкостью навивается катушка, и в ней наводится определенное динамическое электромагнитное поле, то происходит высвобождение ионов карбоната кальция, электростатически связанных с молекулами воды. Высвобожденные таким способом положительные и отрицательные ионы соединяются в результате взаимного притяжения, и в воде образуются арагонитовые кристаллы (высокодисперсная взвесь) не образующие накипи.

Скорость изменения полярности электромагнитного поля при этом должна быть такой, чтобы за время протекания определенного объема жидкости в ней были бы разрушены все связи ионов с молекулами воды. Этот процесс предъявляет определенные требования к напряженности поля, которая должна быть такой, чтобы происходило разрушение связей между молекулами воды и ионами кальция, но не превышать значение, при котором происходит обратное разрушение кристаллов арагонита. Требуемая напряженность поля также зависит от скорости движения жидкости, т.е. расхода воды в трубопроводе.

Так как побочным продуктом при образовании арагонитовых кристаллов является углекислый газ, то вода, обработанная таким способом, имеет свойства дождевой воды, т.е. способна растворять в трубопроводе существующие твердые карбонатные отложения.

Под действием электромагнитного поля в воде возникает также определенное количество перекиси водорода. Перекись при контакте с растворенным в воде железом и со стальной поверхностью внутри трубопровода образует на ней химически стабильную пленку Fe3О4, которая предохраняет поверхность от коррозии. Перекись водорода оказывает также существенное антисептическое и антибактериальное действие – она уничтожает около 99% водных бактерий.

Образовавшиеся молекулы перекиси водорода, однако, имеют очень короткий жизненный цикл и быстро конвертируются в форму кислорода и водорода. Поэтому обработанная таким способом питьевая вода не оказывает никаких вредных побочных эффектов на здоровье человека.

Баксаков А.П., Щелоков Я.М. Качество воды в системах отопления и ГВС.

Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2001, 34с.

Подробная информация www.gerutec.ru

Результаты последних исследований, проведенных специалистами предприятия «Агроресурс», показали, что одной из актуальных проблем украинских потребителей теплоснабжающего оборудования есть образование накипи, то есть отложения солей жесткости, в отопительных аппаратах в результате применения в отечественных системах отопления в качестве теплоносителя воды повышенной жесткости. Следствием этого есть значительное уменьшение эффективности всей теплоэнергетической системы, что абсолютно неприемлемо в условиях внедрения энергосбережения. Накипь, которая образовывается в системах, имеет чрезвычайно низкую теплопроводимость (коєффициент передачи тепла в 200-300 раз меньше чем у металла). Поэтому осадок толщиной всего в 1 мм уменьшает теплопередачу и номинальный КПД приборов на 6 процентов, а трех миллиметровый шар - до 25%, что в свою очередь приводит к значительному перерасходу топлива. Кроме этого, поверхность нагрева котла поддается сильному перегреву, что в некоторых случаях приводит к повреждению теплообменной поверхности котлоагрегата. Поэтому каждый раз после окончания отопительного сезона эксплуатационные службы производят трудоемкую работу по очистке котлов и теплообменных аппаратов от накипи. Естественно, теплоэнергетикам хорошо известны проблемы, возникающие вследствие образования накипи в котлах и теплообменниках. Поэтому сейчас имеютсяя эффективные химические технологии для умягчения воды. Но то, что не сложно для больших тепловых станций и сетей, является проблемой для небольшой котельной в городах, селах и предприятиях. В последние года вместе с классическими химическими методами предохранений от отложений интенсивно разрабатываются и используются на практике физико-химические методы обработки воды (магнитная, ультразвуковая, электрохимическая, высокочастотная и другие). На основании многих теоретических и практических исследований изучено влияние магнитного поля на структуру солей кальция и магния, которые образуют нерастворимые соединения при увеличении температуры воды в системе до 50-60°С, и доказано снижение отложений накипи на поверхности на 20-30%. Полученный Эффект объясняется дестабилизацией ионов кальция и карбонат ионов, которые соединяются при нагревании и образуют кристаллы арагонитной структуры, которые не могут иметь твердых отложений. Общая масса солей в системе остается неизменной, но наклонность к выпадению кристаллов «рыхлого» типа резко увеличивается. На базе этих исследований ЗАО «Агроресурс» разработало и предлагает потребителям новую серию котлов «ДАНКО» мощностью 8-24 кВт, оснащенных прибором «КОЛЬЧУГА», который предназначен для обработки воды импульсным динамическим электромагнитным полем, благодаря которому вода теряет свойство образовывать твердые накипи на некоторый период, а также растворяет уже образованный водный камень. Котлы данной серии не требуют никакого дополнительного обслуживания, никаких расходных материалов, потребляют незначительное количество электроэнергии, исключают применение химических реагентов, и поэтому экологически безопасные. Приспособление «Кольчуга» базируется на использовании электромагнитных колебаний частотой 1-20 кГц с мощностью излучения мощностью не более 5 Вт. Отличительной особенностью есть непрерывное изменение частоты колебаний электромагнитного излучения, в результате чего появляется резонанс при формировании структуры солей. Изменение частотных характеристик совершается при помощи специально запрограммированного микропроцессора, который контролирует образование и передачу асинхронно повторяющихся сигналов. Сигналы передаются в воду через систему излучателей, расположенных на трубопроводе. Эти постоянно переменные волны, которые абсолютно безвредные для человека, приводят к изменениям кристаллической структуры солей твердости, которые образовывают накипь. Без влияния электромагнитных колебаний эти ионы, соединяясь, формируют стойкую смесь аморфных отложений, которая содержит преимущественно кристаллы кальцита. Чистый кальцит принимает форму ромбообразных кристаллов, которые бывают чрезвычайно мощными и имеют свойство наслаиваться. Именно их "КОЛЬЧУГА" переводит в арагонитную структуру, которая предоставляет кристаллам хрупкость, нестабильность, вынуждает их терять свойство наслаиваться. Преобразованная в хрупкие кристаллы накипь легко смывается из поверхности. Специфика такого метода обработки заключается в том, что кристаллическая решетка возобновляется через 5-6 дней после прекращения действия на нее "КОЛЬЧУГИ" (так называемая "память кристаллов"). Свойства смягченной воды, таким образом, теряются. В связи с этим "КОЛЬЧУГА" должна работать постоянно. В отличие от постоянных магнитов и электромагнитных катушек, которые применялись ранее в других аналогичных устройствах и теряли эффективность в процессе эксплуатации, "КОЛЬЧУГА" дает стабильный результат по качестве обработки в течении всего времени службы. Создаваемый "КОЛЬЧУГОЙ" набор переменных электромагнитных волн не дает развиваться так называемому "иммунитету" кристаллов к действию постоянного электромагнитного сигнала. Использование "резонансного" метода значительно повысило стабильность результатов и надежность работы устройства. Устройство "КОЛЬЧУГА" состоит из отдельного блока питания соединенного с компактным блоком генератора электромагнитных импульсов. Блок генератора построен на базе микропроцессора, который на основе соответствующего алгоритма и данных в памяти генерирует исходный высоко периодический сигнал. После усиления он подводится к катушкам установленным на трубопроводе, где создается импульсное динамическое электромагнитное поле. Это поле действует на протекающую через трубопровод воду. Такая вода не только теряет на некоторое время способность образовывать твердые накипи, но и растворяет раньше образованный водный камень. По материалам