устройство для ускорения процесса преобразования вещества

Формула изобретения

1. Устройство для ускорения процесса преобразования вещества, содержащее средства дополнительного физико-химического воздействия на вещество, помещенное в корпус для основного воздействия, отличающееся тем, что средства дополнительного воздействия представляют собой средства создания переменного электрического тока в электропроводящем корпусе, которые содержат подключенный выходом к корпусу блок управления током, состоящий из последовательно соединенных блока фильтров, блока автоматической регулировки усиления, блока изменения амплитуды и/или частоты, блока формирования импульсов и выходного усилителя.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средства создания тока содержат приемник внешнего электромагнитного излучения, подключенный ко входу блока управления током.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что амплитуду и/или частоту тока изменяют в выбранном диапазоне циклически.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что основное воздействие представляет собой нагревание воды для преобразования в пар.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам, обеспечивающим ускорение основного процесса преобразования вещества (например, преобразования воды в пар) путем создания одновременно с основным воздействием (нагреванием) вспомогательного физико-химического воздействия, обеспечивающего уменьшение времени преобразования (времени нагревания).

Известны различные устройства, ускоряющие основные технологические процессы дополнительным воздействием на вещество (см., например, а.с. 288610, кл. В 28 С 9/10, а.с. 1414785, кл. C 02 F 1/48, патент RU 2026266, кл. С 02 F 1/48, патент SU 1811421, кл. В 02 С 19/18, патент RU 2137548, кл. В 02 С 19/18, патент RU 2199491, кл. C 02 F 1/463). Обычно дополнительное воздействие создают электромагнитным полем (см., например, Классен В.И. Омагничивание водных систем. М.: Химия, 1982, гл.IV, стр.145-158, гл.V, стр.166-286).

Достоинством таких устройств является то, что дополнительная, например магнитная, обработка воды позволяет увеличить эффективность основного технологического процесса и улучшить свойства продукта производства. Все это сопровождается существенной экономической эффективностью.

Недостатком устройств-аналогов является то, что для их реализации требуются значительные затраты энергии и создание дополнительного дорогостоящего и громоздкого оборудования, содержащего системы электромагнитных узлов (индукторов), которые выполняются сосредоточенными в виде соленоидов (а.с. 1414785) или распределенными, например, в виде трубчатого индуктора (патент RU 2199491).

Известны устройства, обеспечивающие ускорение основного процесса без значительных затрат энергии и без сложного оборудования.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство по патенту RU №2137548, кл. В 02 С 19/18 под названием «Устройство и способ интенсификации процессов физической, химической и/или физико-химической природы», которое мы выбираем в качестве прототипа.

Устройство-прототип содержит средства физико-химического воздействия на материал, которые представляют собой средства приложения переменного электрического потенциала к материалу, находящемуся в твердом, жидком, газообразном и/или парообразном виде. Средства приложения потенциала выполнены с возможностью подачи переменного электрического потенциала непосредственно на материал или на емкость, в которой находится материал, через одиночный электрод. Частота электрического поля в устройстве-прототипе составляет от 1,0 Гц до 1 кГц, а потенциал находится в пределах от 1 до 300 В.

Достоинством устройства-прототипа является то, что с его помощью вспомогательное физико-химическое воздействие на вещество создают приложением переменного электрического потенциала к диэлектрическим материалам через одиночный электрод одновременно с основным процессом, например, с измельчением цемента, находящегося в барабанной мельнице. В результате, согласно патенту, происходит ускорение основного процесса преобразования вещества, не требуется значительных затрат энергии, увеличивается производительность мельницы и не требуется создания дополнительного дорогостоящего оборудования.

Недостатком устройства-прототипа является то, что электрический потенциал можно приложить только к диэлектрическим материалам и к диэлектрическим корпусам, имеющим большое электрическое сопротивление, создать в них только электрическое поле и получить те емкостные или пьезоэлектрические эффекты, о которых говорится в патенте. К металлическим (электропроводящим) корпусам потенциал прикладывать бесполезно, так как известно, что поле внутри электропроводящего заряженного потенциалом полого шара (к которому можно отнести металлические корпуса барабанной мельницы или дробилки) равно нулю. При подаче потенциала на такой корпус никакого воздействия на вещество, расположенное в корпусе, не происходит (см. например, Сивухин Д.В. Общий курс физики. Том 2. Электричество. М.: Наука, 1983, стр.35, стр.37).

Таким образом средства, используемые в устройстве-прототипе, не обеспечивают ускорение процесса преобразования вещества, находящегося в электропроводящем корпусе.

Кроме того, на фиг.1 патента-прототипа показано, что выход блока 3, от которого потенциал подается, заземлен, а средства переработки 4 (в том числе корпус), на которые потенциал подается, не заземлены. В результате, для реализации устройства-прототипа необходимо металлический корпус дробилки (мельницы), который находится под напряжением, достигающим согласно патенту 300 В, изолировать от заземленных поверхностей и принять меры для обеспечения безопасности обслуживающего персонала.

Таким образом, использование устройства-прототипа для ускорения основного процесса в веществах, расположенных в электропроводящих корпусах, вызывает значительные трудности.

Задачей предлагаемого изобретения является создание устройства для ускорения процесса преобразования вещества, помещенного в электропроводящий корпус для основного воздействия, при минимальных затратах энергии и обеспечении электробезопасности.

Эта задача решена благодаря тому, что, во-первых, в предлагаемом устройстве средства дополнительного физико-химического воздействия на вещество представляют собой средства создания переменного электрического тока в электропроводящем корпусе, которые содержат подключенный выходом к корпусу блок управления током, состоящий из соединенных последовательно блока фильтров, блока автоматической регулировки усиления, блока изменения амплитуды и/или частоты, блока формирования импульсов и выходного усилителя.

Во-вторых, - благодаря тому, что средства создания тока содержат приемник внешнего электромагнитного излучения, подключенный ко входу блока управления током.

В-третьих, - благодаря тому, что амплитуду и/или частоту тока изменяют в выбранном диапазоне циклически.

В-четвертых, - благодаря тому, что основное воздействие представляет собой нагревание для преобразования воды в пар.

Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежами фиг.1, фиг.2. На фиг.1 схематически изображены средства создания тока в корпусе. На фиг.2 изображена структура блока управления током.

На фиг.1, фиг.2 приняты следующие обозначения.

1 - блок управления током, БУТ;

2 - электропроводящий корпус, ЭПК;

3 - приемник внешнего излучения, ПВИ;

4 - блок фильтров, БФ;

5 - блок автоматической регулировки усиления, АРУ;

6 - блок изменения амплитуды и частоты, БИАЧ;

7 - блок формирования импульсов, БФИ;

8 - выходной усилитель, ВУ.

В предлагаемом устройстве, в отличие от устройства-прототипа, средства дополнительного воздействия на вещество представляют собой средства создания переменного электрического тока в электропроводящем корпусе, в котором размещено вещество.

Для создания электрического тока одновременно с основным воздействием (например, нагреванием) на корпусе с веществом установлены два типовых контакта (клеммы), соединенные электрически с корпусом и расположенные на необходимом (обычно максимальном) отдалении друг от друга. В зависимости от конструкции корпуса расстояние между этими контактами в предлагаемом устройстве может составлять от нескольких сантиметров (например, в котле, чайнике) до нескольких метров (например, при нагревании воды в трубах парогенератора).

В предлагаемом устройстве (фиг.1) средства создания тока в корпусе содержат блок управления током (БУТ 1), выходом подключенный к электропроводящему корпусу (ЭПК 2). В блоке БУТ обеспечивается требуемый характер протекания тока по корпусу 2, обусловленный свойствами вещества, а также взаимосвязью между основным и дополнительным воздействием. В нем обеспечивается формирование тока в заданном диапазоне амплитуд и частот, а также формирование заданного закона изменения этих параметров во времени. Кроме того, в связи с тем, что блок БУТ выходом подключен к корпусу 2, в нем обеспечена работа на низкоомную нагрузку, какой является ЭПК 2 (п.1 Формулы изобретения).

Известно, что для формирования электрического сигнала переменного тока используется электронный генератор, аналогичный установленному в устройстве-прототипе. Однако в предлагаемом устройстве, в отличие от известных, средства создания тока (фиг.1) содержат ПВИ 3 внешнего электромагнитного излучения (антенну), который подключен ко входу блока БУТ 1. Приемник 3 является источником широкого спектра сигналов (в том числе и высокочастотных), что позволяет в блоке 1 формировать необходимые токи в требуемом диапазоне частот без генератора (п.2 Формулы изобретения).

Блок БУТ 1 (фиг.2) содержит соединенные последовательно блок фильтров БФ 4, блок АРУ 5, блок БИАЧ 6, блок БФИ 7 и выходной усилитель ВУ 8.

Блок БФ 4 содержит широкополосный фильтр (или несколько фильтров), обеспечивающий выделение сигналов в заданном диапазоне частот.

Блок АРУ 5 содержит операционный усилитель с регулируемым коэффициентом усиления. Регулировка осуществляется таким образом, что уровень сигналов на выходе соответствует заданному при любом (отличном от нуля) уровне сигналов на входе.

Блок БИАЧ 6 содержит узкополосный фильтр с перестраиваемой по сигналу управления резонансной частотой. Перестройка осуществляется постоянным напряжением, в результате чего происходит изменение частоты выходного сигнала в заданном диапазоне по заданному закону.

Для изменения амплитуды в блоке БИАЧ 6 установлен операционный усилитель с управляемым коэффициентом передачи. Управление осуществляется также постоянным напряжением, аналогично рассмотренному выше для частоты.

Блок БФИ 7 содержит преобразователь, ширина импульсов на выходе которого соответствует амплитуде входного сигнала.

Выходной усилитель ВУ 8 представляет собой усилитель прямоугольных импульсов, обеспечивающий работу блока БУТ на низкоомную нагрузку, какой является ЭПК 2 (п.1 Формулы изобретения).

Для ускорения процесса преобразования вещества большое значение имеет выбор диапазона амплитуд и диапазона частот дополнительного воздействия на вещество переменным током. Эти диапазоны зависят от резонансных (воспринимающих воздействие) свойств вещества, от его агрегатного состояния (твердое, жидкое, газо- или парообразное), а также от амплитудной и частотной излучательной способности корпуса, в котором вещество находится под основным воздействием.

Для ускорения процесса преобразования вещества важно не только определить диапазон частот, но и целесообразно изменять частоту тока и, соответственно, частоту воздействия на вещество в выбранном диапазоне от минимального до максимального значения (и/или наоборот) циклически. Только в этом случае будут созданы частоты, необходимые для разрушения межмолекулярных связей. Значения частот зависят от размеров молекулярных образований, в том числе вызванных предварительными разрушениями.

Аналогичные рассуждения относятся и к амплитуде тока (амплитуде воздействия), которую целесообразно также изменять циклически. В предлагаемом устройстве диапазоны амплитуд и/или частот воздействия, а также их циклическое изменение формируются с помощью блока БИАЧ 6 (п.3 Формулы изобретения).

Трудности дополнительного воздействия на вещества, находящиеся в электропроводящих корпусах, особенно наглядно проявляются в парогенераторах, в металлических трубах которых температура воды превышает 100°С, в связи с чем воздействие на воду одновременно с нагревом не осуществляется.

В предлагаемом устройстве впервые обеспечена возможность ускорения процессов одновременно с основным воздействием, которое представляет собой нагревание воды для преобразования в пар (п.4 Формулы изобретения).

При одновременном воздействии на воду нагревания и токов, пропускаемых по корпусу, быстрее происходит разрушение молекулярных цепочек (кластеров) и увеличивается скорость процесса парообразования. Для разрушения кластеров не требуется больших затрат вспомогательной энергии, так как главная часть энергии вносится основным воздействием, нагреванием. В результате уменьшается время нагревания и экономится электроэнергия или топливо.

При пропускании переменного электрического тока по корпусу происходит комплексное воздействие различных видов энергии на молекулярные образования и на заряженные частицы в веществе. Под действием электромагнитного излучения корпуса в веществе происходят не только электрические и магнитные, но также электро- и гидродинамические резонансные процессы. Кроме того, благодаря гальванической связи электрических токов корпуса с веществом происходит снабжение вещества электронами.

Диапазон частот эффективного воздействия переменного тока, протекающего по корпусу парогенератора, на воду в нем находится в высокочастотной области (1 МГц), значительно превышающей область частот устройства-прототипа. Эффективный ток составляет несколько миллиампер. Приложенное к заземленному корпусу напряжение от блока БУТ не превосходит 1 В, что является совершенно безопасным для обслуживающего персонала.

Пропусканием переменного электрического тока по корпусу с помощью предлагаемого устройства удается эффективно воздействовать на вещество, находящееся в электропроводящем корпусе под другим основным воздействием (например, измельчением). В этом случае в веществе не развивается больших токов, не происходит нагрев, а разрушаются связи в ансамблях молекул, что способствует ускорению основного процесса.

Работа предлагаемого устройства происходит следующим образом.

От приемника ПВИ 3 (антенны) (фиг.1) на вход блока БУТ 1 поступает широкий спектр частот (белый шум). С помощью блока БФ 4 (фиг.2) из этого спектра выделяется диапазон частот, необходимый для воздействия на конкретное вещество или на близкую по частотам группу веществ. Сигналы этих частот могут отличаться по амплитуде, поэтому они поступают в блок АРУ 5, в котором происходит выравнивание амплитуд сигналов под заранее заданный уровень.

После этого сигнал поступает в блок БИАЧ 6, в котором циклически осуществляется последовательное выделение одной частоты из диапазона (с допустимым интервалом дискретности или непрерывно) по закону, заданному в цикле (например, линейному). При необходимости по аналогичному закону осуществляется изменение амплитуды.

В блоке БИАЧ 6 обеспечена возможность подачи на выход сигнала на одной частоте при разных амплитудах, а также при одной амплитуде и разных частотах диапазона.

Из блока БИАЧ 6 сигнал поступает в блок БФИ 7, в котором формируются прямоугольные импульсы определенной ширины и скважности. Преимущество импульсного воздействия на вещество в том, что кроме основной частоты импульс содержит кратные гармоники, поэтому воздействие на вещество осуществляется также на частотах, кратных основной.

С выхода блока БФИ 7 сигнал поступает в усилитель ВУ 8, который создает необходимый ток в низкоомной нагрузке, какой является корпус ЭПК 2.

От протекающего по корпусу ЭПК 2 тока происходит комплексное воздействие на вещество высокочастотными электрическим и магнитным полями, а также обеспечивается гальваническая связь вещества с токами в корпусе, в результате чего крупные молекулярные образования в веществе распадаются на мелкие части и процесс преобразования вещества (например, преобразование воды в пар) существенно ускоряется при незначительных затратах дополнительной энергии и обеспечении электробезопасности.

Таким образом, благодаря тому, что в предлагаемом устройстве средства дополнительного физико-химического воздействия представляют собой средства создания переменного электрического тока в электропроводящем корпусе, в котором расположено вещество, удалось реализовать процессы в проводящих и непроводящих средах, расположенных как в заземленных, так и в незаземленных корпусах, неосуществимые приложением потенциала в устройстве-прототипе.

Существенным преимуществом предлагаемого устройства перед известными является то, что для обеспечения вспомогательного воздействия не требуется изменять конструкцию корпуса, в котором находится вещество, и создавать специальное дополнительное дорогостоящее и громоздкое оборудование.

Благодаря тому, что средства создания тока в корпусе содержат блок управления током, подключенный выходом к корпусу, с помощью предлагаемого устройства удалось обеспечить необходимое воздействие на вещество в заданном диапазоне амплитуд и частот.

Существенным преимуществом предлагаемого устройства перед известными является то, что в нем средства создания тока содержат вместо генератора сигналов приемник внешнего электромагнитного излучения.

Большое значение для ускорения процессов преобразования вещества имеет осуществленное в предлагаемом устройстве циклическое изменение амплитуды и/или частоты тока в требуемом диапазоне, так как в этом случае удается охватить широкий спектр воздействий в среде, свойства которой изменяются по мере основного и дополнительного воздействий.

Благодаря протеканию слабых токов по корпусу при использовании предлагаемого устройства обеспечивается не только необходимое воздействие на вещество, но и, в отличие от устройства-прототипа, - электробезопасность обслуживающего персонала.

Существенные преимущества перед известными обеспечиваются с помощью предлагаемого изобретения в устройствах, в которых основное воздействие представляет собой нагревание воды для преобразования в пар. В них не только уменьшается время процесса и экономится энергия. При протекании переменного электрического тока по электропроводящему корпусу происходит адгезия, в результате чего устраняется накипь на стенках парогенератора (котла) и предотвращается образование новой накипи. Под действием электрического тока, протекающего по корпусу, происходит воздействие на соли, находящиеся в воде, которые превращаются в гель и легко устраняются при промывке котла.

Предлагаемое устройство с успехом может быть применено не только для ускорения парообразования, но и для ускорения других процессов.

Так, например, при подключении предлагаемого устройства к металлическому корпусу шаровой мельницы, в которой измельчается цементный клинкер, происходит увеличение степени помола. В результате увеличивается доля мелких фракций на выходе и/или сокращается время получения фракции требуемой крупности, т.е. увеличивается производительность.

Таким образом, поставленная задача: создание устройства для ускорения процесса преобразования вещества, помещенного в электропроводящий корпус для основного воздействия, при минимальных затратах энергии и обеспечении электробезопасности, решена полностью.

Оценка эффективности предлагаемого устройства проведена по измерению времени закипания воды без дополнительного воздействия и с ним. Для этого в металлический сосуд заливали воду одинакового объема, равного 3 л., с одинаковой начальной температурой, устанавливали сосуд на нагреватель постоянной мощности и измеряли время нагрева воды до температуры 100°С. В результате измерений оказалось, что время нагрева без дополнительного воздействия составляло 15,5 мин, а при пропускании по корпусу сосуда одновременно с нагреванием электрического тока 5 мА частоты 1 МГц время нагрева составило 13 мин. В результате, ускорение процесса закипания воды (уменьшение времени нагревания) составило 16,1%.

При циклическом изменении частоты тока в диапазоне 900 КГц - 1100 КГц температура кипения была достигнута через 12,8 мин, т.е. эффективность составила 18%.

Отсюда следует, что при использовании предлагаемого устройства обеспечивается экономия электрической (тепловой) энергии, уменьшается время технологического процесса и увеличивается производительность оборудования.

Таким образом, с помощью предлагаемого «Устройства для ускорения процесса преобразования вещества» может быть повышена эффективность технологических процессов в теплоэнергетике, нефтехимии, горно-перерабатывающей и других отраслях промышленности.