Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВ А 1. Обзор конструкций индукционных устройств для нагрева и омагничивания жидкостей 13
1.1 Конструкции устройств индукционного нагрева жидкости 13
1.2 Конструкции устройств для омагничивання жидкостей 30
1.3 Выводы 45
ГЛАВА 2 Моделирование процессов в системе индуктивно-кондуктивного типа для нагрева и омагничивания воды 46
2.1 Методы расчета устройств нагрева и омагничивання 46
2.2 Постановка задачи 56
2.3 Моделирование электромагнитного поля в системе для нагрева и омагничивання воды 60
2.4 Моделирование теплового поля в системе для нагрева и омагничивання воды 67
2.5 Выводы 73
ГЛАВА 3 Теоретическое и экспериментальное исследование системы индуктивно-кондуктивного типа для нагрева и омагничивания воды 74
3.1 Расчёт параметров электромагнитного поля системы для нагрева и омагннчивания жидкости 74
3.2 Экспериментальные исследования электромагнитных полей коаксиальных цилиндров ) индукционной установки для обработки жидкостей 83
3.3 Расчёт параметров теплового поля системы для нагрева и омагничивання жидкости 86
3.3.1 Расчет коэффициента теплоотдачи в системе концентрических цилиндров 86
3.3.2 Расчет параметров омагничивателя мощностью 16 кВт 88
3.3.3 Расчет распределения температуры в активных элементах омагннчивателя 91
3.3.4 Расчет максимальной напряженности магнитного поля в жидкости 94
3.4 Выводы 96
ГЛАВА 4 Области применения систем нагрева и омагничивания индуктивно- кондуктивного типа 97
4.1 Электронагреватели жидкой среды 97
4.2 Очистка воды от избытка железа, солей кальция и марганца 99
4.3 Устройства для защиты от накипи н коррозии систем тепловодоснабжения 101
4.3.1 Влияние магнитного поля на свойства воды и ее примесей 102
4.4 Применение магннтпой обработки в нефтегазовой отрасли 104
4.4.1 Воздействие магнитного поля на АСПО 106
4.4.2 Воздействие магнитного поля на солеотложенпя 107
4.4.3 Воздействие магпнтного поля на эмульсии 108
4.4.3.1 Причины образования и свойства нефтяных эмульсий 108
4.4.3.2 Аппараты для воздействия на водонефтяные эмульсии магнитным полем 111
4.4.4 Аппараты УМП 113
4.4.5 Индуктивио-кондуктивные аппараты 119
4.4.6 Воздействие магнитного поля на коррозионные процессы 121
Заключение 124
Список литературы 126
Приложение 1 139
Приложение 2 147
Приложение 3 156
Приложение 4 163
- Конструкции устройств индукционного нагрева жидкости
- Моделирование электромагнитного поля в системе для нагрева и омагничивання воды
- Расчёт параметров электромагнитного поля системы для нагрева и омагннчивания жидкости
- Применение магннтпой обработки в нефтегазовой отрасли
Введение к работе
Современное общество предъявляет всё более высокие требования к техническим устройствам бытового и промышленного назначения, поэтому разработка и внедрение новых устройств, особенно электронагревательных, как важнейших для жизнедеятельности человека, является актуальной задачей. Внедрение электронагрева обуславливается и проблемой энергосбережения при производстве тепла на коммунально-бытовые нужды рассредоточенных потребителей. Из общего количества тепла, расходуемого на эти цели в стране, около половины получают на ТЭЦ и крупных котельных, остальное — на мелких котельных, индивидуальных топливных печах и квартирных теплогенераторах. При этом последняя группа оборудования потребляет топлива примерно в два раза больше, чем первая в связи с низкими характеристиками печей и теплогенераторов, большой длительностью межсезонья, при котором объем теплопотребления не достигает номинальных нагрузок и коэффициент использования топлива снижается до 10-20%. Значительное удаление населенных пунктов от центров снабжения теплом и топливом приводит к высокой стоимости транспортировки, соизмеримой со стоимостью добычи энергоносителей. В [1,2] показано, что в сельской местности при существенной рассредоточенное агротехнического комплекса Сибири применение системы электротеплоснабжения по сравнению с теплоснабжением от котельных на твердом топливе позволяет снизить энергозатраты на 30-40%.
Насыщенность некоторых регионов страны дешевой электроэнергией ГЭС и АЭС способствует внедрению электронагрева в быту по экономическим и техническим аспектам. Обеспечение оптимальной нагрузки энергостанций в ночные часы и дни с пониженной производственной деятельностью промышленных предприятий создадут надежные и безопасные условия функционирования энергосистем.
Развитие ВЭУ(ветроэлектроустановок), микроГЭС и других альтернативных источников электроэнергии также стимулирует использование электронагрева.
Система многоставочных тарифов на электроэнергию, сложившаяся за рубежом и постепенно развивающаяся в России, значительно расширит применение электронагрева для отопления и горячего водоснабжения и на технологические нужды.
Усилиями отечественных и зарубежных фирм созданы высокоэффективные электронагревательные приборы, получившие широкое распространение в системах производственного и бытового электронагрева [3,4]. За последние двадцать лет удельное энергопотребление электротеплогенераторов снижено в среднем на 50%, что дало возможность концептуально изменить, например, назначение электроотопительных устройств от приборов для дополнительного обогрева помещений к приборам основного теплоснабжения.
К настоящему времени получили широкое распространение резистивные электронагреватели прямого нагрева (ТЭНы и электродные), которые, как известно, обладают рядом недостатков:
низким классом электробезопасности "0" или "1" (с применением дополнительных мер);
опасным напряжением прикосновения, препятствующим применению в жилых помещениях;
низким сроком службы и надежностью функционирования и высокой пожароопасностью.
Существенным недостатком систем нагрева на основе электродных конструкций и ТЭНов является отложение накипи на электродах, наружной поверхности ТЭНов и теплоотдающих поверхностях системы отопления. В результате снижается срок службы и надёжность работы нагревательного оборудования.
Снижение интенсивности накипеобразования и удаление накипи с рабочих поверхностей требует специальных методов водоподготовки и профилактической обработки рабочих поверхностей в периоды останова тепловой системы, так как принцип работы этих устройств не позволяет предотвратить или снизить интенсивность накипеобразования в эксплуатационный период.
Известно, что около 85% грунтовых и подземных вод Российской Федерации, используемых в качестве питьевой, содержат избыток железа и солей кальция. Поэтому пресная вода, используемая в качестве питьевой, в большинстве регионов РФ не соответствует требованиям ГОСТ, предъявляемым к питьевой воде. Это в первую очередь относится к избыточному количеству железа и солей кальция. Проблема получения с помощью энергосберегающих устройств питьевой воды, имеющей необходимый уровень примесей, является актуальной. Вместе с тем, состав минералов в воде, необходимых для жизнедеятельности человека, должен быть сохранён при её обработке.
Одним из наиболее перспективных и экологически чистых способов нормализации свойств питьевой воды является ее обработка постоянным или переменным электромагнитным полем, приводящая концентрацию железа и железосодержащих примесей к уровню требуемых норм. В процессах магнитной обработки частицы, обладающие ферромагнитными свойствами, при достаточно неоднородном магнитном поле выполняют "транспортную" функцию, увлекая при осаждении другие примесные частицы и ионы, что обеспечивает глубокую очистку жидкости.
Решение проблемы накипеобразования оказалось возможным в новых системах нагрева, созданных на основе индукционного метода преобразования электрической энергии в тепловую.
В начале 90-х годов прошлого столетия были разработаны и внедрены новые системы индукционного нагрева жидкостей на основе конструктивных решений с выполнением электропроводящей камеры нагрева, охватывающей первичную обмотку и магнитопровод. Такого типа индукционные системы, названные А.И.Елшиным индуктивно-кондуктивными, обеспечили высокие
эксплуатационные параметры (КПД 96 -г- 99%, соз(р 0,96 ч- 0,99) .
При эксплуатации первых образцов нагревателей индуктивно- кондуктивного типа для систем отопления и горячего водоснабжения жилых зданий экспериментально обнаружено новое свойство создавать объёмную коагуляцию взвешенных в воде частиц и растворять ранее сформировавшиеся отложения накипи на стенках трубопроводов и радиаторов. Совместное действие на воду теплового потока и электромагнитного поля обеспечивает условия объёмной коагуляции взвешенных в воде частиц без отложений и накипеобра- зования на нагревающих поверхностях. Продукты соединений различных химических элементов формируются в виде мелкодисперсного порошка в объеме жидкости без отложения накипи на внутренних поверхностях трубопроводов и радиаторов системы отопления и легко отделяются в отстойник. Одновременно с этим, во всей системе нагрева исключено формирование гальванических пар постоянного тока, способствующих возникновению коррозийных центров.
Это позволило сформировать гипотезу, что интенсивность объёмной коагуляции взвешенных в воде частиц будет увеличиваться при нагреве воды с одновременной обработкой сильными электромагнитными полями. Появляется возможность создания принципиально нового вида электротехнического оборудования — установок индуктивно-кондуктивного типа для переработки жидких промышленных отходов, опреснения воды (включая и морскую воду), удаления из воды накипеобразующих примесей при водоподготовке для использования в энергетике, обработке воды в пищевой промышленности при изготовлении напитков, в строительной индустрии (для приготовления бетонов) и других технических целей.
Анализ технических особенностей нового оборудования индуктивно- кондуктивного типа позволяет сделать вывод, что задача оптимизации конструктивных решений установок индуктивно-кондуктивного типа для нагрева и омагничивания возможна путём исследования взаимосвязанных процессов нагрева жидкостей и одновременной обработки интенсивными электромагнитными поля.
Целью работы является создание математической модели системы ин- дуктивно-кондуктивного типа для нагрева и омагничивания жидкости; оптимизация параметров системы на основе исследования взаимосвязанных процессов нагрева с одновременной обработкой в электромагнитных полях; фор- < мирование рекомендаций к построению инженерной методики расчета.
В соответствии с этой целью формулируется общая научная задача:
в теоретическом плане - проведение анализа протекания процессов в омагничивающих установках индуктивно-кондуктивного типа, выявление взаимосвязей интегральных и отдельных составляющих электрических и тепловых потоков энергии, связи номинальной мощности с энергетическими характеристиками (КПД и коэффициентом мощности), принципов оптимизации конструкций и рабочих режимов;
- в экспериментальном плане - разработка технических требований и исследование электротехнического оборудования нового поколения, обеспечения его работоспособности и электробезопасности.
Достижение поставленной цели осуществляется на основе исследования концепции конструктивного исполнения системы индуктивно-кондуктивного типа, существенным отличием которой является формирование зоны нагрева и омагничивания на основе концентрических цилиндров.
Это позволяет:
создать надежные тепловые условия для первичной обмотки и равномерный уровень электромагнитных и тепловых нагрузок любой зоны теплообменника;
максимально приблизить к единице коэффициент преобразования электроэнергии в тепло для электронагревателя;
обеспечить условия для эффективного простанственного омагничивания обрабатываемой среды;
создать рекомендации для дальнейшего совершенствования конструкции с целью улучшения массогабаритных и энергетических показателей.
На защиту данной диссертационной работы выносится:
Принципы исследования технических решений и конструктивных схем индуктивно-кондуктивных установок, обеспечивающих создание высокоэффективных и электробезопасных систем нагрева и электромагнитной обработки жидкости переменным полем.
Научно обоснованные исходные положения и математическая модель преобразования электрической энергии в электромагнитную и тепловую на основе численно-аналитического метода расчёта слоистых индуктивно- кондуктивных систем, с использованием рекуррентных соотношений между параметрами поля.
Совокупность теоретических и экспериментальных исследований распределения энергии в системе коаксиальных цилиндров из немагнитной стали, алюминия, меди и других цветных металлов, анализ энергораспределений в цилиндрах и зазорах между цилиндрами при изменении их диаметров, количества и толщин.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований электромагнитных полей в коаксиальных цилиндрах индукционной системы, образующих вторичную нагрузку трансформатора, и используемых в качестве камеры технологической обработки жидкостей.
Инженерные методики расчета основных массогабаритных показателей установки по критерию уровня нагрева и омагничивания жидкости.
исследовании комплекса научных и прикладных задач по новому направлению развития индуктивно-кондуктивных установок для низкотемпературного нагрева и технологической обработки жидкостей, обеспечивающий создание принципиально новых электротехнических устройств;
впервые разработана методика численно-аналитического расчета электротеплового поля многослойной системы коаксиальных цилиндров, образующих активную зону омагничивания;
разработана инженерная методика расчёта индуктивно-кондуктивных систем технологической обработки жидкости в интенсивных электромагнитных полях;
сформулированы принципы увеличения производительности промышленных установок путем использования коаксиальных цилиндров из различных металлов с различными удельными электрическими сопротивлениями с целью увеличения напряженности магнитного поля при одновременном снижении удельной поверхностной мощности.
Научная новизна заключается в:
Практическая значимость полученных результатов определяется созданием нового вида омагничивающих устройств, воздействующих на жидкость переменном магнитным полем одновременно с нагревом и построенных на основе:
разработанной математической модели анализа электромагнитного поля в коаксиальных цилиндрах индуктивно-кондуктивных систем, позволяющей получить распределённые и интегральные характеристики системы омаг- ничивания и сформулировать технические требования к выбору материалов цилиндров и их геометрических размеров;
решения электромагнитной и тепловой задач методами теории поля;
создания инженерной методики расчета массогабаритных и энергетических параметров по заданному уровню намагничивающего фактора и производительности устройства.
Реализация работы: созданные инженерные методики расчета систем нагрева и омагничивания переданы для формирования научно-технической документации постановки изделий на производство в Научно-инновационный Центр «Индукционное машиностроение» г. Новосибирск; ФГУ «Сибсельмаш- Спецтехника» г. Новосибирск; ООО «Термотех» г.Новосибирск; ООО «Мечта» г. Гурьевск Кемеровской области; ОАО «Сибэлектротерм» г. Новосибирск. Методики расчета электромагнитных и тепловых полей используются в учебном процессе в Новосибирском техническом университете и Новосибирской государственной академии водного транспорта.
Вклад автора состоит в обосновании общей концепции работы, в формулировании постановки целей и задач исследований, в разработке теоретических положений и анализе результатов, в самостоятельной подготовке электромагнитной и тепловой задач, их решении, проведении экспериментов, анализа полученных результатов и формировании выводов работы.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на:
- межвузовской научной студенческой конференции «Интеллектуальный потенциал Сибири», МНСК-2000, 2001 (г.Новосибирск); International Seminar on Heating by Internal Sourse. Padua, 2001, 2004 (Италия); 6 Russian-Korean In- ternatijnal Symposium on Science and Technology (KORUS, 2002); 5-й международной конференции "Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловедение". (Крым, Алушта, 2003); международной научно-технической конференции ЭЭЭ-2003, Комсомольск-на-Амуре, 2003; международной научно-технической конференции "Электроэнергия и будущее цивилизации", Томск, 2004; а также ряде научно — технических совещаний и семинаров, проходивших на кафедре «Автоматические электротехнологические установки» НГТУ, кафедре «Электроэнергетические системы и электротехника» НГАВТ.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 20 печатных работах, в том числе три в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 145 наименований и четырех приложений. Материал диссертации изложен на 164 страницах и включает 38 рисунков и 9 таблиц.
В первой главе представлен обзор современного состояния промышленного и бытового использования индукционных установок для нагрева и омаг- ничивания жидкостей. Показано, что наиболее предпочтительной с точки зрения получения пространственного распределения максимального магнитного поля с однонаправленным градиентом представляется система индуктивно- кондуктивного типа с распределенной поверхностью нагрева, позволяющей существенно снизить значение удельного теплового потока.
Вторая глава посвящена моделированию процессов в системе индуктив- но-кондуктивного типа для нагрева и омагничивания воды. Приведены результаты расчетно-теоретического анализа электромагнитных связей в системе с коаксиальными цилиндрами с помощью рекуррентного метода.
Полное моделирование процесса нагрева и омагничивания потребовало совместное решение электромагнитной задачи, внутренней электротепловой задачи и задачи внешнего теплообмена.
Создание математической модели осуществлено на основе представления пространственного распределения среды со сложной конфигурацией и нелинейными электрофизическими характеристиками материалов (с магнитными и немагнитными свойствами) в виде совокупности чередующихся однородных слоев. Поверхности слоев параллельны координатным плоскостям, в пределах которых можно осуществить аппроксимацию нелинейных параметров и найти общие решения для напряженностей электромагнитного поля на базе уравнений электродинамики. По общим решениям исключением постоянных интегрирования найдены рекуррентные соотношения между выходными характеристик поля элементарного слоя и входными. Используя рекуррентные соотношения и задавая начальные значения величин, численным методом найдено распределение параметров Е и Н в функции координаты в многослойной среде. На каждом последующем шаге счета есть возможность корректировки электрофизических параметров среды по состоянию на предыдущем шаге, которые связаны с изменением величин поля.
Для исследования теплового процесса принята та же методология анализа на основе аналитически-численного метода с применением рекуррентных соотношений для функции температуры и ее производной. Решение задачи отыскивается на основании уравнения теплопроводности Фурье для стационарного режима.
В третьей главе приведены результаты расчетно-теоретического анализа электромагнитных связей в системе нагрева и омагничивания с помощью численно-аналитического метода. Для количественной оценки интегральных электромагнитных параметров нагревателя проведены исследования синусоидального электромагнитного поля в объеме, включающем в себя цилиндрические элементы нагревателя и непроводящее пространство между ними. При решении задачи принимались традиционные допущения, позволившие представить задачу расчета в дискретной одномерной многослойной среде. Точность полученных результатов удовлетворяет инженерным требованиям; разница между расчётными значениями и значениями полученными в результате замеров на опытной установке составляет менее 5%. С помощью физико- математического моделирования установлено, что оптимальной конструкцией для установки электротехнической обработки жидкости является конструкция, состоящая из двух коаксиальных цилиндров, по которым протекает ток различного направления, так как это позволяет сконцентрировать реактивную мощность в камере обработки, а также выделить максимум активной мощности для нагрева обрабатываемых водных систем.
В четвёртой главе рассмотрены области применения систем индуктивно- кондуктивных нагрева и омагничивания жидкости: проточные нагреватели жидкой среды с эффектом омагничивания; теплоаккумуляционные электронагреватели с функцией очистки воды от избытка железа, солей кальция и марганца; устройства для защиты от накипи и коррозии систем тепловодоснабже- ния; системы магнитной обработки водных сред в нефтегазовой отрасли - применение осуществляется в нескольких основных направлениях: борьба с асфальто-смолистыми и парафиновыми отложениями (АСПО), солеотложе- ниями, предотвращение образования стойких эмульсий, снижение коррозионной активности перекачиваемых жидкостей.
Представлены изделия, техническая документация для постановки на производство которых спроектирована с участием автора.
Конструкции устройств индукционного нагрева жидкости
Реализация работы: созданные инженерные методики расчета систем нагрева и омагничивания переданы для формирования научно-технической документации постановки изделий на производство в Научно-инновационный Центр «Индукционное машиностроение» г. Новосибирск; ФГУ «Сибсельмаш- Спецтехника» г. Новосибирск; ООО «Термотех» г.Новосибирск; ООО «Мечта» г. Гурьевск Кемеровской области; ОАО «Сибэлектротерм» г. Новосибирск. Методики расчета электромагнитных и тепловых полей используются в учебном процессе в Новосибирском техническом университете и Новосибирской государственной академии водного транспорта.
Вклад автора состоит в обосновании общей концепции работы, в формулировании постановки целей и задач исследований, в разработке теоретических положений и анализе результатов, в самостоятельной подготовке электромагнитной и тепловой задач, их решении, проведении экспериментов, анализа полученных результатов и формировании выводов работы.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на: - межвузовской научной студенческой конференции «Интеллектуальный потенциал Сибири», МНСК-2000, 2001 (г.Новосибирск); International Seminar on Heating by Internal Sourse. Padua, 2001, 2004 (Италия); 6 Russian-Korean In- ternatijnal Symposium on Science and Technology (KORUS, 2002); 5-й международной конференции "Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловедение". (Крым, Алушта, 2003); международной научно-технической конференции ЭЭЭ-2003, Комсомольск-на-Амуре, 2003; международной научно-технической конференции "Электроэнергия и будущее цивилизации", Томск, 2004; а также ряде научно — технических совещаний и семинаров, проходивших на кафедре «Автоматические электротехнологические установки» НГТУ, кафедре «Электроэнергетические системы и электротехника» НГАВТ.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 20 печатных работах, в том числе три в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 145 наименований и четырех приложений. Материал диссертации изложен на 164 страницах и включает 38 рисунков и 9 таблиц.
В первой главе представлен обзор современного состояния промышленного и бытового использования индукционных установок для нагрева и омаг- ничивания жидкостей. Показано, что наиболее предпочтительной с точки зрения получения пространственного распределения максимального магнитного поля с однонаправленным градиентом представляется система индуктивно- кондуктивного типа с распределенной поверхностью нагрева, позволяющей существенно снизить значение удельного теплового потока.
Вторая глава посвящена моделированию процессов в системе индуктив- но-кондуктивного типа для нагрева и омагничивания воды. Приведены результаты расчетно-теоретического анализа электромагнитных связей в системе с коаксиальными цилиндрами с помощью рекуррентного метода.
Полное моделирование процесса нагрева и омагничивания потребовало совместное решение электромагнитной задачи, внутренней электротепловой задачи и задачи внешнего теплообмена.
Создание математической модели осуществлено на основе представления пространственного распределения среды со сложной конфигурацией и нелинейными электрофизическими характеристиками материалов (с магнитными и немагнитными свойствами) в виде совокупности чередующихся однородных слоев. Поверхности слоев параллельны координатным плоскостям, в пределах которых можно осуществить аппроксимацию нелинейных параметров и найти общие решения для напряженностей электромагнитного поля на базе уравнений электродинамики. По общим решениям исключением постоянных интегрирования найдены рекуррентные соотношения между выходными характеристик поля элементарного слоя и входными. Используя рекуррентные соотношения и задавая начальные значения величин, численным методом найдено распределение параметров Е и Н в функции координаты в многослойной среде. На каждом последующем шаге счета есть возможность корректировки электрофизических параметров среды по состоянию на предыдущем шаге, которые связаны с изменением величин поля.
Для исследования теплового процесса принята та же методология анализа на основе аналитически-численного метода с применением рекуррентных соотношений для функции температуры и ее производной. Решение задачи отыскивается на основании уравнения теплопроводности Фурье для стационарного режима.
В третьей главе приведены результаты расчетно-теоретического анализа электромагнитных связей в системе нагрева и омагничивания с помощью численно-аналитического метода. Для количественной оценки интегральных электромагнитных параметров нагревателя проведены исследования синусоидального электромагнитного поля в объеме, включающем в себя цилиндрические элементы нагревателя и непроводящее пространство между ними. При решении задачи принимались традиционные допущения, позволившие представить задачу расчета в дискретной одномерной многослойной среде. Точность полученных результатов удовлетворяет инженерным требованиям; разница между расчётными значениями и значениями полученными в результате замеров на опытной установке составляет менее 5%. С помощью физико- математического моделирования установлено, что оптимальной конструкцией для установки электротехнической обработки жидкости является конструкция, состоящая из двух коаксиальных цилиндров, по которым протекает ток различного направления, так как это позволяет сконцентрировать реактивную мощность в камере обработки, а также выделить максимум активной мощности для нагрева обрабатываемых водных систем.
В четвёртой главе рассмотрены области применения систем индуктивно- кондуктивных нагрева и омагничивания жидкости: проточные нагреватели жидкой среды с эффектом омагничивания; теплоаккумуляционные электронагреватели с функцией очистки воды от избытка железа, солей кальция и марганца; устройства для защиты от накипи и коррозии систем тепловодоснабже- ния; системы магнитной обработки водных сред в нефтегазовой отрасли - применение осуществляется в нескольких основных направлениях: борьба с асфальто-смолистыми и парафиновыми отложениями (АСПО), солеотложе- ниями, предотвращение образования стойких эмульсий, снижение коррозионной активности перекачиваемых жидкостей.
Моделирование электромагнитного поля в системе для нагрева и омагничивання воды
Рассмотрим другой тип конструкций, позволяющих при высоких энергетических характеристиках получать достаточные для обработки жидкостей напряжённости переменного магнитного поля.
Индуктивно-кондуктивные электронагреватели со специальным эффектом омагничивания жидкости переменным магнитным полем напряженностью 30 кА/м и более могут быть использованы в качестве устройств для магнитной обработки жидкости при условии минимизации массогабаритных характеристик устройства. Ниже предлагается устройство для целей омагничивания водных, лекарственных растворов и жидкостных теплоносителей отопительных и прочих систем.
Принципиальное отличие устройства для омагничивания жидкости (автор Елшин А.И.) [30] заключается в использовании магнитного поля вторичного контура трансформатора для омагничивания жидкости. Конструктивно предлагаемое устройство для омагничивания жидкости представляет собой коаксиальный кабель, в котором жила и оболочка, состоящая из нескольких концентрических цилиндров, образуют короткозамкнутую вторичную обмотку.
На чертеже (рисунок 1.17) представлено устройство для омагничивания проточной жидкости, представляющее собой трансформатор, имеющий первичную обмотку 1, намотанную на тороидальный сердечник 2 из электротехнической стали. Вторичная короткозамкнутая обмотка состоит из: цилиндра 3 для протекания омагничиваемой жидкости, разрезанного на две половины и соединенной электрически замыкающими трубками 4 так, чтобы последние ; охватывали магнитопровод 2 с обмоткой 1; стержня 6, дополнительных цилиндров 7, выполненных из проводящего материала и по внешним торцам" и электрически соединенных с цилиндром 3 сваркой с помощью перемычек 8 с отверстиями 9 для протекания жидкости. Изоляционная муфта 5 отделяет полость с проточной жидкостью от первичной обмотки трансформатора, Патрубки 10 предназначены для подвода и отвода проточной жидкости.
Устройство функционирует следующим образом. При подключении обмотки 1 к напряжению питающей сети в магнитопроводе 2 наводится переменный магнитный поток. Этот поток создает значительный индукционный ток во вторичной цепи трансформатора, образованной стержнем 6, дополнительными цилиндрами 7, цилиндром 3, замыкающими трубками 4 и перемычками 8 между стержнем 6 и цилиндром 3, заполненной проточной жидкостью. В полости, занятой жидкостью, индуктируется интенсивное переменное магнитное поле, направление напряженности которого перпендикулярно потоку жидкости. Действие этого переменного магнитного поля вызывает омагничи- вание проточной жидкости.
Высокий уровень напряженности магнитного поля (20 кА/м и более) обусловлен значительным индукционным током вторичной цепи, электрическое сопротивление котопой чпезвычайно мало.Поэтому при относительно малой ЭДС вторичной цепи (порядка 1 В) ток во вторичной цепи достигает величины нескольких килоампер, что приводит к наведению значительного вторичного магнитного поля. Это магнитное поле целиком и полностью сконцентрировано в пространстве между цилиндром 3 и стержнем 6, заполняемом проточной жидкостью, и не рассевается в окружающее пространство. Последнее обстоятельство улучшает коэффициент мощности устройства, приводит к снижению величины первичного тока, и, следовательно, массы обмоточного провода. Вместе с тем, снижаются потери энергии в первичной цепи, что приводит к повышению КПД устройства в целом.
Неравномерное распределение магнитного поля вдоль радиуса создает необходимые условия для возникновения направленной силы воздействия на ферромагнитные частицы жидкости, вызывающей коагуляцию в растворе кар- бонатносодержащих солей без отложения на стенках омагничивающего аппарата. Последующая фильтрация раствора практически освобождает жидкость от избытка как феррочастиц, так и избытка солей кальция, улучшая качество омагничиваемой жидкости.
Анализируя характеристики и эффективность применения примерно двадцати видов аппаратов [31], можно прийти к следующим выводам: существующие устройства, работающие на переменном токе, как правило, имеют невысокий коэффициент мощности и значительные массогабарит- ные показатели. Создание магнитного поля обеспечивается соленоидами, подключаемыми непосредственно к питающей сети и имеющими, как правило, низкие энергетические характеристики и значительные массу и габариты; 2) почти во всех случаях рабочий зазор аппаратов лежит в пределах нескольких сантиметров, что требует создания большой намагничивающей силы и значительного расхода обмоточных материалов; 3) максимальное магнитное поле в рабочем зазоре локализовано в отдельных точках и при обработке необходима многократная циркуляция обрабатываемой жидкости, обеспечивающая сравнительно большое время пребывания в поле; 4) наиболее предпочтительной с точки зрения получения пространственного распределения максимального магнитного поля с однонаправленным градиентом представляется конструкция, предложенная А.И.Ешиным.
При серийном выпуске аппаратов очень важно максимально сократить расход остродефицитных магнитных материалов и медного обмоточного провода. Это достигается уменьшением бесполезного рассеяния магнитной энергии (за пределами камеры обработки) и её концентрации в рабочем зазоре. Такое возможно только при определённых оптимальных параметрах внешней магнитной цепи, что реализуется не во всех конструкциях.
Конструирование, производство и эксплуатация аппаратов для магнитной обработки водных систем чрезвычайно затруднена тем, что отсутствуют научные основы этого процесса, доведеннные до стадии инженерных расчетов и не проводятся четкие сравнительные испытания различных аппаратов для изучения влияния их конструктивных элементов на процесс омагничивания. Создание и изготовление аппаратов производится на основе качественных представлений о механизме явлений, практики эксплуатации аппаратов и иногда исходя из чисто интуитивных представлений.
Расчёт параметров электромагнитного поля системы для нагрева и омагннчивания жидкости
Из всех известных способов защиты от накипи и коррозии (химических и физических) применение электромагнитных аппаратов является наиболее перспективным. Этот способ не требует значительных сооружений, каких-либо реагентов и специальных лабораторий, пространство в эксплуатации и достаточно оперативен.
Применение электромагнитных аппаратов в малой и большой теплоэнергетике играет большую роль для решения одной из актуальных проблем — экономии топлива, сохранения и продления срока службы теплоэнергетического оборудования, сетей и защиты окружающей среды от сброса отработанных реагентов. 1 При наложении магнитного поля концентрация растворенных солей в воде практически не изменяется, но соли жесткости выделяются вместо накипи в ином физическом состоянии — в виде тонкодисперсного шлама. 2 Применение магнитного поля сводится не только к действию собственно поля, но и комплекса воздействующих друг на друга факторов. 3 Магнитное поле стимулирует процессы коагуляции и обуславливает образование центров кристаллизации в массе воды с выделением подвижной твердой накипи, а не на теплопередающих поверхностях нагрева и охлаждения. 4 Стабильность эффекта водообработки усиливается при движении жидкости перпендикулярно магнитному полю. 5 Магнитное поле способно перестраивать структуру воды. 6 Под влиянием магнитного поля изменяется диэлектрическая проницаемость и магнитная восприимчивость раствора. 7 При перемещении раствора электролита в магнитном поле в растворе возникает ЭДС, активизирующая окислительно-восстановительные реакции. 8 Кислород, растворенный в растворе, при воздействии магнитного поля активизируется, образуя с железом ферромагнитные окислы, предохраняющие поверхность металла от коррозии. 9 При воздействии магнитного поля продукт коррозии гидроокись железа Бе (ОН)з пНгО может переходить в результате дегидротации в магнетит Ре304. Магнетит притягивается к поверхности металла и препятствует развитию коррозии.
Существенным отличительным свойством электронагревателей индуктивно-кондуктивного типа является омагничивание теплоносителя в процессе нагрева, что отсутствует во всех остальных индукционных электронагревателях, а также нагревателях ТЭНового и электродного типов. В теплосистеме при этом резко снижается интенсивность коррозионных явлений и отложения солей кальция и магния на теплоотдающих поверхностях. Новое качество предлагаемого индуктивного теплогенератора - возможность омагничивания воды - расширяет область применения в различных технологических процессах, в строительстве, при очистке питьевой воды, биотехнологии, медицине, производстве синтетических материалов и т.д. [31, 32, 44].
Отложения различных солей на стенках теплоэнергетических и других аппаратов приводят к резкому снижению эффективности их работы, перерасходу топлива и частым остановкам для очистки. Считается, что общий механизм отложений накипи и других инкрустаций заключается в возникновении и дальнейшем росте на твёрдых поверхностях кристаллов на стенках аппаратов в пересыщенных растворах. Магнитная обработка воды позволяет устранить пересыщение, поскольку выделение растворённых солей стимулируется в объёме воды.
В большинстве случаев магнитная обработка эффективна при определённой солевом составе воды, т.е. воды с определённой кальциевой карбонатной жёсткостью.
Основным условием эффективного применения магнитной обработки для уменьшения образования накипи является возможность выделения в объёме и устойчивого существования кристаллов солей жёсткости. Это возможно только в случае пересыщения воды по растворённым карбонатам и сульфатам кальция и магния.
В основном магнитную обработку применяют для уменьшения образования накипи в котлах низкого давления (не экранированных), преимущественно с большим водяным объёмом, в бойлерах, различных теплообменниках, в тепловых сетях отопительных котлов, в местных системах горячего водоснабжения, в конденсаторах паровых турбин, в компрессорах, в двигателях внутреннего сгорания, автотракторных двигателях, а также в выпарных установках и дистилляторах. Особенное внимание уделяется применению омагничивания водных систем в теплоэнергетике (ввиду наибольшей её развитости). Расчёты, основанные на длительной практике эксплуатации магнитных аппаратов для омагничивания питательной воды парогенераторов низкого давления, показывают, что каждый рубль затрат даёт сотни рублей экономии, а сами аппараты окупаются в течении нескольких недель эксплуатации, причём принципиально важно, что эффект даёт даже обработка переменным электромагнитным полем, хотя это направление до настоящего времени развито недостаточно.
В теплоснабжении процессы протекают при низких температурах (80 — 90С). Низкотемпературные накипи состоят, в основном, из карбонатов и продуктов коррозии (преимущественно окислов железа). Железистые продукты образуются при нагреве артезианских вод, содержащих бикарбонат железа.
Применение магннтпой обработки в нефтегазовой отрасли
Поверхность корродирующего металла обычно представляет собой многоэлектродный гальванический элемент, состоящий из двух и более отличающихся друг от друга электродов. Упрощенно эту поверхность можно рассматривать как систему, состоящую из участков двух видов - анодных и катодных.
Причины возникновения электрохимической неоднородности поверхности раздела "металл - электролит" могут быть различны. Так для стали 20, имеющей структуру "феррит + перлит", такой причиной может быть неоднородность сплава. Феррит, имеющий более отрицательный электродный потенциал, является в этом гальваническом элементе анодом, а перлит - катодом [8].
Электрохимическая неоднородность поверхности корродирующего металла приводит к дифференциации последней на анодные - с более отрицательным электродным потенциалом, и катодные - с более положительным. Степень неоднородности этой поверхности характеризуется величиной разности электродных потенциалов анодных и катодных участков. Электрохимическое растворение металла состоит из трех основных процессов: 1) анодного - образования на анодных участках гидратированных ионов металла в электролите и свободных электронов: 2) перетекания электронов в металле от анодных участков к катодным и перемещения катионов и анионов в растворе (рис. 6) 3) катодного - восстановления электронов какими-либо ионами или молекулами раствора (деполяризаторами) на катодных участках: Процесс перетекания электронов от анодного к катодному участку выравнивает значения электродных потенциалов этих участков. При отсутствии анодного и катодного (электродных) процессов возможна полная поляризация (равенство электродных потенциалов участков), но в действительности анодный и катодный процессы продолжаются, препятствуя наступлению полной поляризации, то есть, действует деполяризующе. Отсюда, в частности, происходит и название ионов и молекул раствора, обеспечивающих протекание катодного процесса - деполяризаторы. Перемещение электронов от анодного к катодному участку происходит быстрее, чем протекание электродных процессов, потенциалы участков (электродов) выравниваются и система, в конечном итоге, полностью заполяризовывается [69]. Чем более отрицателен электродный потенциал металла, тем более он склонен к коррозионному разрушению. По мнению Абдуллина И.Г. и Хайда- рова Ф.Р., под воздействием магнитного поля на систему "металл - электролит" одновременно протекают два взаимоисключающих процесса: 1 сдвиг потенциала коррозии в отрицательную область, что должно привести к снижению коррозионной стойкости металла; 2 ускорение поляризуемости системы (более крутой ход ветви поляризационной кривой), что приводит к снижению скорости коррозии [55,70].
Последнее связано с тем, что процессы гидратации ионов металла и подвода деполяризатора к поверхности металла замедляются под воздействием магнитного поля. Ускорение поляризации при магнитной обработке преобладает над процессом увеличения термодинамической нестабильности металла (сдвиг потенциала в область более отрицательных значений), в результате чего скорость коррозии замедляется. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертационной работе представлены результаты исследования качественно нового типа системы для нагрева и омагничивания жидкости на основе устройства индуктивно-кондуктивного типа с теплообменной структурой, состоящей из ряда концентрических цилиндрических элементов, образующих кольцевые каналы для омагничиваемой среды. Уровень энергосбережения, надежности и безопасности, реализуемые с помощью исследуемых конструктивных модификаций для различных условий применения в сфере жизнеобеспечения человека, соответствует лучшим мировым стандартам.
Основные результаты проведенных в работе теоретических и экспериментальных исследований формулируются в следующем: 1. На основе анализа развития и современного состояния промышленных п индуктивно-кондуктивных установок для нагрева и омагничивания жидкостей показано, что использование системы коаксиальных короткозамкнутых цилиндров в качестве камеры для нагрева и обработки жидкостей обеспечивает решение важной технической задачи — создание конкурентоспособных промышленных нагревательных установок большой производительности, обладающих способностью значительно уменьшать накипеобразование на тепло- отдающих поверхностях, при оптимальных значениях удельной поверхностной мощности на нагреваемых поверхностях. 2. Сформулированы принципы исследования технических решений и конструктивных схем индуктивно-кондуктивных установок и показано, что требуемые с технической точки зрения энергетические соотношения в новой системе нагрева индуктивно-кондуктивного типа, включающие снижение удельной поверхностной мощности нагрева и оптимальные значения напряженности магнитного поля, могут быть получены при надежных тепловых условиях для первичной обмотки и равномерном уровне электромагнитных и тепловых нагрузок;
