Устройство для электромагнитной обработки жидкости

 

Изобретение относится к устройствам для электромагнитной обработки жидкости и может быть использовано в различных отраслях промышленности для омагничивания водных систем с одновременной электрообработкой. Устройство содержит установленные в корпусе трехфазный статор с обмоткой, создающей вращающееся магнитное поле и ротор. Ротор снабжен трехфазной многовитковой обмоткой и выпрямителем, состоящим из полупроводниковых вентилей (диодов), установленных на изоляторах на валу ротора. Концы обмотки ротора соединены с выпрямителем, выход которого соединен с установленными на изоляторах на обоих концах ротора токопроводящими, неизолированными от электрического контакта с обрабатываемой жидкостью пластинами-электродами. Ротор установлен неподвижно. Статор и ротор с обмотками, полупроводниковые вентили выпрямителя и электрические связи обмотки ротора с выпрямителем герметизированы и электрически изолированы от обрабатываемой жидкости. Технический результат - повышение эффективности электромагнитной обработки жидкости. 3 ил.

Изобретение относится к устройствам для электромагнитной (магнитной) обработки жидкости и может быть использовано в различных отраслях промышленности при омагничивании водных систем с одновременной электрообработкой, например, в теплоэнергетике, химической, горной, металлургической, строительных материалов.

Известно устройство для электромагнитной (магнитной) обработки жидкости [1], содержащее магнитную систему в виде статора из набора листов электротехнической стали, в пазах которого уложена обмотка, питаемая от трехфазного источника тока, и ротора также из набора листов электротехнической стали с пазами, в которых уложена обмотка в виде полых диамагнитных трубок из токопроводящего материала, замкнутая на концах фланцами из токопроводящего материала, аналогичная короткозамкнутой обмотке ротора асинхронного электродвигателя типа "беличья клетка". Трубки сообщаются с входной и выходной полостями для подачи и выхода обрабатываемой жидкости, которая протекает по трубкам и подвергается обработке магнитным полем, создаваемым обмоткой статора (SU 1188106 A, кл. C 02 F 1/48, 1985 г.).

В данном устройстве обмотка статора создает вращающееся магнитное поле, под действием которого вращается ротор с обмоткой-трубопроводом, поэтому жидкость подвергается обработке как магнитным полем статора, так и током от наведенной этим полем электродвижущей силы (ЭДС) в обмотке-трубопроводе и в жидкости; частота этого тока определяется скольжением ротора и обычно составляет 0,5-4 Гц при питании устройства от сети с частотой 50 Гц.

К основным недостаткам указанного устройства можно отнести то обстоятельство, что рабочий магнитный поток проходит в основном по стали статора и ротора и воздушному зазору между ними, слабо проникая внутрь диамагнитных трубок и текущую в них жидкость, так как их магнитное сопротивление велико по сравнению с остальными участками магнитной цепи устройства.

Кроме того, индуцированный вращающимся магнитным полем ток протекает в основном по трубкам, а не по жидкости, так как электрическое сопротивление трубок ничтожно мало по сравнению с сопротивлением жидкости (жидких проводников) в трубках.

Указанные недостатки снижают эффективность обработки жидкости таким устройством.

Известно также устройство для электромагнитной (магнитной) обработки жидкости [2] -прототип, содержащее корпус, в котором установлен статор из набора листов электротехнической стали, в пазах которого уложена обмотка, аналогичный известному статору трехфазного асинхронного электродвигателя, герметичную емкость для жидкости, связанную с подводящим и отводящим штуцерами, и ротор, также выполненный из набора листов электротехнической стали с пазами и зубцами на боковой поверхности, который концентрично, с зазором для прохода обрабатываемой жидкости установлен в емкости и расточке пакета стали статора, при этом наружная поверхность ротора, включая его пазы, контактирующая с обрабатываемой жидкостью, покрыта слоем изоляции, а по концам пакета стали ротора установлены электропроводные, неизолированные от электрического контакта с обрабатываемой жидкостью пластины; емкость же для жидкости выполнена (образована) соединением в монолитную, герметичную конструкцию, корпуса и статора с обмоткой, путем соединения (склеивания) их частей и пропитки обмотки, диэлектрическим эпоксидным (или аналогичным ему) компаундом, при этом слоем компаунда покрыта сталь расточки пакета статора и его пазы, а толщина этого слоя выполнена меньше (в десятки и сотни раз), чем в зоне лобовых частей обмотки и границ корпуса устройства чем, как нетрудно видеть, обеспечивается герметизация и электроизоляция статора с обмоткой от обрабатываемой жидкости (RU 2052917 C1, кл. C 02 F 1/48, 1995 г.).

Такая конструкция устройства имеет ряд ценных преимуществ по сравнению с другими известными устройствами, в том числе и с описанным выше аналогом, в частности позволяет получить высокую напряженность магнитного поля в жидкости (600 кА/м и более) при низких энергозатратах, так как магнитное сопротивление предельно снижено на всех участках магнитной цепи, включая и рабочий участок с обрабатываемой жидкостью в зазоре между статором и ротором (за счет малой величины кольцевого зазора), и увеличить ток, протекающий непосредственно в жидкости, в межполюсном пространстве магнитной системы устройства от наведенной вращающимся или пульсирующим магнитным полем ЭДС, так как исключена шунтировка (протекание) тока по поверхности стали статора и ротора благодаря наличию на них изоляционного слоя.

Указанные факторы способствуют повышению эффективности электромагнитной обработки жидкости, однако и этому устройству присущи некоторые недостатки, в частности то обстоятельство, что "обмотка" ротора, которая в данном устройстве образована объемом жидкости, заключенном в емкости, в кольцевом сечении межполюсного пространства магнитной системы устройства (между статором и ротором), включая и жидкие проводники в пазах ротора, замкнутая, установленными на концах пакета стали ротора, электропроводными, неизолированными пластинами, по сути дела тоже представляет собой короткозамкнутую "обмотку" типа "беличья клетка", что и в указанном аналоге [1] с полыми диамагнитными трубками в пазах ротора, замкнутыми на концах токопроводящими фланцами с той лишь разницей, что в аналоге [1] "беличья клетка" образована полыми диамагнитными трубками, замкнутыми на концах токопроводящими фланцами, а в прототипе [2] - жидкими проводниками, замкнутыми установленными на концах пакета стали ротора, электропроводными, неизолированными пластинами; то есть с этой точки зрения указанные обмотки однотипные, хотя, конечно своими электрическими параметрами, например электрическим сопротивлением, они существенно отличаются, так же как и конечным результатом их использования в устройстве, предназначенном для электромагнитной обработки жидкости.

Так как короткозамкнутая обмотка типа "беличья клетка" представляет собой одновитковые контуры, то величина наведенной ЭДС в них небольшая и обычно составляет несколько вольт (в зависимости от габаритов и мощности магнитной системы устройства), а так как в прототипе [2] электрическое сопротивление жидких проводников (жидкости, например воды) - большое, то, следовательно, токи, протекающие в жидкости, - небольшие (в пределах нескольких ампер или даже меньше, в зависимости от мощности и конструктивных параметров устройства), что снижает эффективность электромагнитной обработки жидкости таким устройством.

Целью настоящего изобретения является устранение указанных недостатков прототипа и повышение эффективности электромагнитной обработки жидкости.

Поставленная цель достигается тем, что ротор снабжен уложенной в его пазы многовитковой обмоткой, аналогичной обмотке ротора асинхронного электродвигателя с фазным ротором или ей подобной, электродвижущая сила (ЭДС) которой при прочих равных условиях пропорциональна количеству витков и может быть получена в сто (и более) раз больше, чем в одновитковой (одноконтурной) обмотке типа "беличья клетка", при этом для получения максимальной ЭДС на концах обмотки, ротор установлен неподвижно, а концы обмотки с действующей в ней ЭДС соединены с выпрямителем, состоящим из полупроводниковых вентилей (диодов), установленных на изоляторах на валу ротора, либо иным образом, например в полости вала и электрически изолированных от токопроводящих частей ротора. Выпрямитель может быть собран по известным схемам: трехфазной мостовой или со средней точкой и другим схемам; представляется, что трехфазная схема со средней точкой, в которой используются всего три полупроводниковых вентиля, и имеющая достаточно хорошие характеристики выпрямленного напряжения и тока, наиболее подходит для данного случая, также как и трехфазная обмотка ротора, хотя в общем случае могут быть использованы и другие типы выполнения обмотки ротора и другие схемы выпрямителей.

Выход же выпрямителя, его плюс (+) и минус (-) или средняя точка, соединен с установленными на изоляторах, на концах ротора (по обе стороны) токопроводящими, неизолированными от электрического контакта с обрабатываемой жидкостью, пластинами - электродами, например, в форме кольцевых пластин из железа, алюминия и других токопроводящих материалов и обеспечивающих при этом (своей геометрической формой и размерами) необходимый проход для обрабатываемой жидкости.

Кроме того, ротор с обмоткой, полупроводниковые вентили выпрямителя и электрические связи обмотки ротора с выпрямителем герметизированы и электрически изолированы от воздействия обрабатываемой жидкости, например, путем компаундирования, то есть заливки, пропитки, покрытия и склеивания их в монолитную, герметичную конструкцию, диэлектрическим, стойким к длительному воздействию обрабатываемой жидкости, эпоксидным (или аналогичным ему) компаундом, при этом тонким слоем (но необходимым и достаточным для электрической изоляции) этого компаунда покрыты как наружная поверхность стали ротора, так и все контактирующие с обрабатываемой жидкостью токопроводящие части (вал, опоры, крышки и другие элементы) внутри корпуса устройства, включая и внутреннюю поверхность подводящего и отводящего штуцеров, кроме пластин-электродов, электрически изолированных (как уже было сказано выше) от токопроводящих частей ротора.

Герметизация и электроизоляция ротора с обмоткой, полупроводниковых вентилей выпрямителя и их электрических связей может быть выполнена и другим путем, например помещением ротора с обмоткой и установленными на роторе, на изоляторах полупроводниковыми вентилями и их электрическими связями в трубу - оболочку (капсулу) из фторопласта, стеклопластика и подобных им материалов с последующей заливкой в нее, с обеих концов, эпоксидного компаунда, герметика, для полной их герметизации и электроизоляции от обрабатываемой жидкости.

Кроме указанных примеров, герметизация и электроизоляция обмоток статора и ротора может быть осуществлена путем выполнения обмоток из провода в изоляции, допускающей работу в среде обрабатываемой жидкости, а герметизация и электроизоляция полупроводниковых вентилей выпрямителя и мест соединения их электрических связей с обмоткой - путем нанесения (покрытия) на них слоя электроизоляции, однако в этом случае все токопроводящие части внутри корпуса устройства (поверхность стали корпуса, статора, ротора, вала, его опор, крышек и т.д. и т.п.), включая и внутреннюю поверхность подводящего и отводящего штуцеров, контактирующие с обрабатываемой жидкостью, должны быть покрыты слоем диэлектрического, стойкого к длительному воздействию обрабатываемой жидкости, эпоксидного компаунда, лака, эмали, кроме, как уже было сказано выше, пластин - электродов, установленных на концах ротора, с обеих его сторон, на валу, на изоляторах.

Покрытие всех токопроводящих частей внутри корпуса устройства диэлектрическим компаундом, лаком, эмалью, то есть электроизоляция всех токопроводящих частей, контактирующих с обрабатываемой жидкостью внутри корпуса устройства, кроме, разумеется, пластин - электродов, выполнена для того чтобы обеспечить протекание тока от наведенной вращающимся или пульсирующим магнитным полем статора в многовитковой обмотке ротора ЭДС через выпрямитель именно по жидкости, в межполюсном пространстве магнитной системы устройства от одной пластины - электрода к другой и исключить протекание тока по другим токопроводящим частям, контактирующим с обрабатываемой жидкостью внутри корпуса устройства. Нетрудно видеть, что емкость для жидкости в указанных случаях герметизации и электроизоляции статора и ротора с обмотками образована (образуется) внутри корпуса между частями герметизированных и электрически изолированных от обрабатываемой жидкости статора и ротора с обмотками и герметизацией корпуса устройства.

Указанная совокупность существенных признаков, находящихся во взаимосвязи друг с другом, а именно установка ротора неподвижно, снабжение ротора уложенной в его пазы многовитковой обмоткой и выпрямителем, соединение концов обмотки ротора с действующей в ней ЭДС, наведенной вращающимся или пульсирующим магнитным полем статора, с выпрямителем, выход которого, "плюс" и "минус" (или средняя точка обмотки ротора), соединен с установленными на концах ротора, на изоляторах, с неизолированными от электрического контакта с обрабатываемой жидкостью, токопроводящими пластинами - электродами, герметизация и электрическая изоляция обмотки ротора, полупроводниковых вентилей выпрямителя и их электрических связей, например, путем компаундирования или иным способом, а также электроизоляция всех токопроводящих частей, контактирующих с обрабатываемой жидкостью внутри корпуса устройства, включая и внутреннюю поверхность подводящего и отводящего штуцеров, кроме, разумеется, пластин - электродов, позволяет повысить эффективность электромагнитной обработки жидкости за счет увеличения электрического напряжения, приложенного к пластинам - электродам от наведенной вращающимся или пульсирующим магнитным полем статора ЭДС в многовитковой обмотке ротора, концы которой соединены с входом выпрямителя, а вход выпрямителя - с пластинами-электродами, а следовательно и постоянного тока в жидкости в межполюсном пространстве магнитной системы устройства, где на жидкость одновременно воздействует и интенсивное магнитное поле. Увеличению этого тока и эффективности обработки способствует также создание условий для протекания тока именно по обрабатываемой жидкости в межполюсном пространстве магнитной системы устройства от одной пластины - электрода к другой за счет электроизоляции всех токопроводящих частей, контактирующих с обрабатываемой жидкостью внутри корпуса устройства, включая и внутреннюю поверхность подводящего и отводящего штуцеров. Повышению эффективности обработки способствует также протекающий в жидкости под действием постоянного тока процесс электролиза.

Сущность изобретения поясняется далее примером его конкретного исполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено: фиг. 1 - общий вид устройства (продольное сечение); фиг. 2 - сечение по А-А (поперечное сечение); фиг. 3 - схема соединения обмотки ротора с выпрямителем и пластинами - электродами.

Устройство содержит корпус 1, в котором установлен статор 2 с обмоткой 3, уложенной в пазы 4 статора 2. В данном конкретном примере, статор 2 представляет собой трехфазный статор, аналогичный известному статору трехфазного электродвигателя, питаемый от промышленной сети с частотой 50 Гц, хотя в общем случае могут быть использованы и другие типы статоров (однофазный, многофазный), другие виды источников питания и частоты тока.

Статор 2 с обмоткой 3 герметизированы и электрически изолированы от обрабатываемой жидкости 5 путем компаундирования: то есть заливки, пропитки и склеивания их частей диэлектрическим эпоксидным компаундом 6, при этом слоем этого компаунда покрыта поверхность расточки пакета стали статора и его пазы.

Как видно из фиг. 1, слой компаунда 6, покрывающий сталь расточки статора и его пазы, выполнен меньше, чем в зоне лобовых частей обмотки 3 статора 2 и границ корпуса 1 устройства, что выполнено с целью снижения энергозатрат (намагничивающего тока) при обеспечении необходимой герметизации и электроизоляции обмотки статора и стали расточки статора.

Внутри герметизированного и электроизолированного от обрабатываемой жидкости 5 статора 2, концентрично, с зазором для прохода жидкости 5 установлен ротор 7 с уложенной в его пазы 8 многовитковой обмоткой 9, аналогичной обмотке ротора трехфазного асинхронного электродвигателя с фазным ротором. Концы этой обмотки соединены с выпрямителем, которым оснащен ротор 7, состоящим из полупроводниковых вентилей (диодов) 10, установленных на изоляторах 11, по схеме, представленной на фиг. 3, при этом выход выпрямителя, его "плюс" и "минус" (средняя точка обмотки ротора), соединен посредством изолированных проводников 12 (электрических связей) с установленными на концах ротора (по обеим сторонам) на изоляторах 13 токопроводящими, неизолированными от электрического контакта с обрабатываемой жидкостью 5, пластинами - электродами 14. Пластины - электроды 14 выполнены (в простейшем случае) в форме плоских кольцевых пластин, которые для обеспечения одинакового по отношению к межполюсному пространству магнитной системы устройства проходного сечения, имеют одинаковый с ротором наружный диаметр; могут быть выполнены и другие формы пластин-электродов, например пластины - электроды Г-образной формы, с соблюдением указанного выше условия сохранения проходного сечения. Ротор 7, с уложенной в его пазы 8 многовитковой обмоткой 9, полупроводниковые вентили 10 выпрямителя и их электрические связи - проводники 12, герметизированы и электрически изолированы от обрабатываемой жидкости 5, аналогично статору 2 с обмоткой 3, диэлектрическим эпоксидным компаундом 15, при этом тонким слоем этого компаунда, но достаточным для герметизации и электроизоляции, покрыта также и поверхность стали ротора.

Как видно и фиг. 1, емкость для жидкости образована (образуется) между частями герметизированных и электроизолированных от жидкости, статора и ротора с обмотками и герметизацией корпуса устройства.

Ротор 7 установлен и закреплен в опорах крышек 16 неподвижно, для чего на его валу 17 имеется шпонка 18.

Опоры выполнены в крышках 16, которые снабжены подводящим 19 и отводящим 20 штуцерами.

В опорах и крышках 16 предусмотрены отверстия 21 для прохода обрабатываемой жидкости 5.

Все токопроводящие части внутри корпуса устройства, включая и внутреннюю поверхность подводящего и отводящего штуцеров, контактирующие с обрабатываемой жидкостью, за исключением пластин - электродов 14, покрыты слоем электроизоляции (не показано), это выполнено для того чтобы создать условия для прохождения тока от наведенной вращающимся или пульсирующим магнитным полем статора ЭДС в обмотке ротора, приложенной к пластинам - электродам через выпрямитель, именно по жидкости в межполюсном пространстве магнитной системы устройства (от одной пластины - электрода к другой) и избежать протекание тока по другим токопроводящим частям, контактирующим с обрабатываемой жидкостью внутри корпуса устройства, чем обеспечивается максимальная эффективность обработки и максимальный КПД устройства.

Резиновыми прокладками 22 производится уплотнение и герметизация емкости и устройства при затяжке болтов 23 крепления крышек 16 к корпусу 1 устройства.

Устройство работает следующим образом.

При подключении обмотки 3 статора 2 к источнику трехфазного тока образуется вращающийся магнитный поток (магнитное поле), который замыкается, проходя по стали статора 2 (спинке и зубцам пакета), слою эпоксидного компаунда 6, покрывающего сталь расточки статора, обрабатываемой жидкости 5, слою эпоксидного компаунда 15, покрывающего наружную поверхность ротора, стали пакета ротора 7 (зубцам и спинке), производя магнитную обработку жидкости 5 в межполюсном пространстве магнитной системы устройства. На фиг. 2 силовые линии магнитного поля показаны пунктиром. Это поле характеризуется высоким значением его напряженности в жидкости (порядка 600-700 кА/м), что легко подтверждается расчетом и практическими данными (известно, что магнитная индукция в воздушном зазоре асинхронных электродвигателей достигает 8500-9300 Гс), что способствует повышению эффективности обработки жидкости. Кроме того, вращающееся магнитное поле статора наводит в трехфазной обмотке 9 ротора 7 электродвижущую силу (э. д. с), а так как концы этой обмотки, с действующей в ней ЭДС, соединены с полупроводниковыми вентилями (диодами) 10 выпрямителя, выход которого, "плюс" и "минус" (средняя точка обмотки ротора), соединен с пластинами - электродами 14, то между ними возникает напряжение, под действием которого по жидкости 5 в межполюсном пространстве магнитной системы (в кольцевом зазоре между статором и ротором) от одной пластины - электрода 14 к другой будет протекать постоянный ток, величина которого будет определяться величиной приложенного к пластинам - электродам напряжения (выпрямленной ЭДС обмотки ротора) и сопротивлением, обрабатываемой в межполюсном пространстве магнитной системы устройства жидкости.

Этот ток может быть значительным (десятки и более ампер), несмотря на довольно большое электрическое сопротивление жидкости, поскольку величина выпрямленной ЭДС обмотки ротора ввиду большого количества витков тоже может быть получена большой (сотни и более вольт); кроме того, максимальному прохождению тока именно по жидкости в межполюсном пространстве магнитной системы устройства способствует электроизоляция всех токопроводящих частей, контактирующих с обрабатываемой жидкостью, внутри корпуса устройства, включая и внутреннюю поверхность подводящего и отводящего штуцеров.

Поскольку этот ток, благодаря наличию выпрямителя, постоянный, то в жидкости будет протекать процесс электролиза, что в ряде случаев, например, при использовании устройства для обработки воды затворения бетона в сочетании с пластинами - электродами из железа и алюминия и их комбинациями и вводимыми химическими добавками может дать дополнительный эффект ее электромагнитной обработки.

Таким образом, на протекающую (находящуюся) в межполюсном пространстве магнитной системы устройства жидкость одновременно воздействуют интенсивное магнитное поле и значительный постоянный ток во много (десятки и более) раз больший, чем в известных аналогах и прототипе, что в сочетании с процессом электролиза безусловно приведет к увеличению эффективности электромагнитной обработки жидкости таким устройством.

Источники информации: 1. Авторское свидетельство СССР N 1188106, кл. C 02 F 1/48, 1985.

2. Патент Российской Федерации N 2052917, кл. C 02 F 1/48, 1995.

Формула изобретения

Устройство для электромагнитной обработки жидкости, включающее корпус, в котором установлен статор из набора листов электротехнической стали, с уложенной в его пазы обмоткой, которая вместе с пакетом стали статора герметизирована и электрически изолирована от обрабатываемой жидкости, и ротор также из набора листов электротехнической стали, с пазами и зубцами на боковой поверхности, покрытыми слоем изоляции, который концентрично, с зазором для прохода обрабатываемой жидкости установлен внутри статора и емкости и содержит на концах электропроводные, неизолированные от электрического контакта с обрабатываемой жидкостью пластины, а также образованную внутри корпуса емкость для жидкости с подводящим и отводящим штуцерами, отличающееся тем, что ротор установлен неподвижно и снабжен уложенной в его пазы многовитковой обмоткой, концы которой с действующей в ней ЭДС, наведенной вращающимся или пульсирующим магнитным полем статора, соединены с выпрямителем, которым снабжен ротор, состоящим из полупроводниковых вентилей, установленных на изоляторах на валу ротора или в полости вала и электрически изолированных от токопроводящих частей ротора, при этом обмотка ротора вместе с пакетом стали ротора, полупроводниковые вентили выпрямителя и электрические связи обмотки ротора с выпрямителем герметизированы и электрически изолированы от обрабатываемой жидкости и выход выпрямителя, его "плюс" и "минус", соединен с установленными на изоляторах, на обоих концах ротора, электропроводными неизолированными от электрического контакта с обрабатываемой жидкостью пластинами-электродами, а все остальные токопроводящие части внутри корпуса устройства покрыты слоем электроизоляции.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3