Научно- исследовательский проект по физике «Магнитная обработка воды». откорректированный проект Иванова. Научно исследовательский проект по физике Магнитная обработка воды
 Скачать 163.18 Kb.
|
|
ГАПОУ «Новотроицкий строительный техникум» Научно- исследовательский проект по физике «Магнитная обработка воды» » Автор: Иванова Валерия Евгеньевна Группа № 115 Специальность: 08.02.011 Управление, эксплуатация и обслуживание жилого дома Руководитель Пищулина Н.И. преподаватель физики 2022 Актуальность исследования: Магнитная обработка воды - это процесс целенаправленного воздействия на воду магнитным полем. При определенных значениях магнитной индукции и скорости движения воды возникает эффект магнитогидродинамического резонанса. Совпадение частоты силы Лоренца и собственных колебаний воды инициирует фазовый переход второго рода - изменение структуры вещества без изменения его агрегатного состояния. Проблема: выяснить, какие явления, изучаемые на уроках физики, интересны человечеству Цель научно - исследовательской работы: Изучение природы магнитной обработки воды и её влияния на человека. Задачи представленной научно- исследовательской работы изучить литературу, материалы в Интернете о взаимосвязи физики и природных явлений систематизировать изученный материал; выяснить, какие меры безопасности следует соблюдать при проведении экспериментов изучить физические явления и закономерности, которые можно увидеть в повседневной жизни; создать подборку материала, который можно использовать на уроках физики и волонтерских проектах Сделать вывод о необходимости использования законов физики Объект – законы и закономерности физики. Предмет – использование законов и закономерностей физики . Гипотеза: Структурированная вода обладает уникальными физическими, химическими и биологическими свойствами. Использование структурированной воды для производства водяного пара обеспечивает снижение потребления энергии. Методы работы над проектом: теоретические методы систематизации теоретического материала, обобщение накопленного материала, изучение и анализ научной, публицистической литературы и иных источников информации по проблеме исследования обработка и анализ данных; расчеты с использованием физических формул. подготовка презентации к защите проекта (научно- исследовательской работы) Предполагаемый результат: Создание проекта Оформление проекта. Практическое назначение данного проекта заключается в возможности использования его результатов на уроках физики и дополнительном образовании 2. Основная часть 2.1 Первый этап (вводный): Задачи этапа: постановка проблемы; поиск источников информации, их изучение и анализ; определение и уточнение темы проекта, объекта и предмета исследования, постановка цели и задач исследования; Содержание и методы деятельности: работа в библиотеке образовательного учреждения; работа с руководителем проекта по обсуждению материалов; определение темы проекта (научно- исследовательской работы). Всем известно, какое важное место занимает в жизни человека знания, но далеко не все задают себе вопрос, как знания физика смогут помочь человеку. Изучение Физики и исследовательская работа помогает вести волонтерскую работу по направлению Пропаганда изучения уникальных явлений Выводы по результатам работам I этапа. Постановка проблемы. Выбор темы проекта. Формулировка цели, задач, гипотезы, поиск источников информации, анализ и её систематизация. 2.2 Второй этап: поисково-исследовательский Задачи этапа: исследование проблемы: поиск точек соприкосновения предметов: физики и уникальных явлений систематизация информации. Исследование выбранной проблемы. Анализ литературы, других источников информации, консультации. Выполнение проекта 3. Вывод и результат работы: 4. Список использованных источников Основная часть Магнитная обработка воды - это процесс целенаправленного воздействия на воду магнитным полем. При определенных значениях магнитной индукции и скорости движения воды возникает эффект магнитогидродинамического резонанса. Совпадение частоты силы Лоренца и собственных колебаний воды инициирует фазовый переход второго рода - изменение структуры вещества без изменения его агрегатного состояния. Структурированная вода обладает уникальными физическими, химическими и биологическими свойствами. Так, например, использование структурированной воды для производства водяного пара обеспечивает снижение потребления энергии на 10-15%, а при производстве бетона обеспечивает экономию цемента 15-20%. В воде, прошедшей магнитную обработку, заметно увеличивается эффективность процессов, широко используемых в различных технологических установках. В структурированной воде ускоряются процессы флоккуляции, коагуляции и седиментации, повышается эффективность фильтрации и экстракции. Магнитная обработка обеспечивает замедление коррозийных процессов, радикальное снижение скорости роста минеральных и биологических отложений, снижает эксплуатационные затраты и энергоемкость производства. Применение магнитной обработки питьевой воды рекомендовано проблемной комиссией Минздрава России. В теплоэнергетике перспективно использование магнитной обработки при водоподготовке для умягчения воды (уменьшения концентраций растворенных в воде ионов Ca2+ и Mg2+, ответственных за образование накипи). Кроме того, магнитная обработка воды помогает не только предотвращать выпадение накипеобразующих солей из воды, но и значительно уменьшать отложения органических веществ, например, парафинов. 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 вода аппарат Магнитная обработка в теплоэнергетике 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 (НСО3) 2 и и магния Mg (НСО3) 2 при нагреве воды разлагающиеся на СаСО3 и Mg (OH) 2 с выделением СО2), сульфатных (CaSO4, MgSO4), хлоридных (MgSO4, MgCl2) и в меньшей мере силикатных (SiO32-) солей кальция, магния и железа. Несвоевременная очистка теплообменников и труб от накипи в виде карбонатных, хлоридных и сульфатных солей Ca2+, Mg2+ и Fe3+ приводит к уменьшению диаметра трубопровода, что ведёт к повышенному гидравлическому сопротивлению и негативно сказывается на работе теплообменного оборудования. Поскольку накипь обладает малым коэффициентом теплопроводности - значительно меньшим, чем металл, из которого изготовлены нагревательные элементы - на подогрев воды расходуется больше времени. 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 комплексе со значительным ухудшением теплопередачи, в котельных установках это может привести к перегреву металла и его разрушению. Все это диктует необходимость проведения ремонтных работ, замены трубопроводов и сантехнического оборудования и требует значительных капитальных вложений и дополнительных денежных расходов на проведение очистки теплообменной аппаратуры. Магнитная обработка воды обеспечивает снижение коррозии стальных труб и оборудования на 30-50 % (в зависимости от состава воды), что продлевает срок эксплуатации теплоэнергетического оборудования, водопроводов и паропроводов и существенно снижает аварийность. Согласно СНиП 11-35-76 "Котельные установки", магнитную обработку воды для теплооборудования и водогрейных котлов целесообразно проводить, если содержание ионов железа Fe2+ и Fe3+ в воде не превышает 0,3 мг/л, кислорода - 3 мг/л, постоянная жесткость (CaSO4, CaCl2, MgSO4, MgCl2) - 50 мг/л, карбонатная жёсткость (Са (НСО3) 2, Mg (НСО3) 2) не выше 9 мг-экв/л, а температура нагрева воды не должна превышать 95 oС. 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 Fe2+ и Fe3+ 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. [1] Преимущества магнитной обработки Магнитная обработка воды по сравнению с традиционными способами умягчения воды ионным обменом и обратным осмосом технологически проста, экономична и экологически безопасна. Вода не приобретает никаких побочных, вредных для здоровья человека свойств и существенно не меняет солевой состав, сохраняя качества питьевой воды. Технология не требует утилизации использованных в процессе водоподготовки химических реагентов 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. [2] Механизм воздействия Принцип действия существующих магнитных аппаратов умягчения воды основан на комплексном многофакторном воздействии магнитного поля, генерируемого постоянными магнитами или электромагнитами на растворенные в воде гидратированные катионы металлов и структуру гидратов и водных ассоциатов. Под воздействием магнитного поля изменяются скорости электрохимической коагуляции (слипания и укрупнения) дисперсных заряженных частиц в потоке намагниченной жидкости и образуются многочисленные центры кристаллизации, состоящие из кристаллов практически одинакового размера. При магнитной обработке воды происходит 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 дисперсных 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 Ca2+ и Mg2+; с увеличением значения рН, а также при уменьшении общей минерализации воды. При движении потока молекул воды в магнитном поле перпендикулярно его силовым линиям, вдоль оси Y (см. вектор V), будет возникать момент сил F1, F2 (сила Лоренса), пытающихся развернуть молекулу в горизонтальной плоскости (рис. 1). Поведение молекулы воды в магнитном поле. 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. На неподвижную воду магнитные поля действуют гораздо слабее. Поскольку обрабатываемая вода обладает слабой 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 коррозионной активности потока воды), создание локального увеличения концентрации ионов в локальном объеме воды (для преобразования избыточного содержания ионов солей жесткости в тонкодисперсную кристаллическую фазу и предотвращения выпадения солей на поверхности трубопроводов и теплообменного оборудования) и др. [3] Конструкция аппаратов Конструктивно большинство аппаратов магнитной обработки воды представляют собой магнитодинамическую ячейку, изготавливаемую в виде полого цилиндрического элемента из ферромагнитного материала, с магнитами внутри. Аппарат врезается 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 аппарата. В результате ламинарного стационарного течения электропроводящей жидкости, каковой является вода, в магнитодинамической ячейке, находящейся в однородном поперечном магнитном поле с индукцией B0 (рис.2), Рис. 2. - Схема течения потока воды в магнитогидродинамической ячейке. у - электропроводность стенок ячейки; В0 - вектор индукции магнитного поля. 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 Ca2+, Mg2+, Fe2+ и Fe3+, перераспределяя их в заданном объёме водной среды. Согласно 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 В0, 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). 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 Под действием силы Лоренца в водной среде возникает противоток анионов и катионов, взаимодействующих в зоне с нулевым значением магнитной индукции, В этой зоне концентрируются взаимодействующие друг с другом ионы, что приводит к их последующему осаждению и созданию центров кристаллизации накипеобразующих солей. Отечественной промышленностью выпускается два типа аппаратов для магнитной обработки воды (АМО) - на постоянных магнитах и работающих от источников переменного тока электромагнитах (соленоид с ферромагнетиком), 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; содержание ионов железа Fe2+, Fe3+ в обрабатываемой воде - не более 0,3 мг/л. суммарное содержание хлоридов и сульфатов Са2+ и Mg2+ (CaSO4, CaCl2, MgSO4, MgCl2) - не более 50 мг/л; карбонатная жесткость (Са (НСО3) 2, Mg (НСО3) 2), - не выше 9 мг-экв/л; содержание в воде растворенного кислорода - не более 3 мг/л, скорость движения потока воды в аппарате 1-3 м/с. В 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/м3 (табл. 1) и не теряют своих свойств при нагреве до 150 oС. 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 растворенные 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). [4] Отечественные аппараты магнитной обработки воды 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). Рис. 4. Виды аппаратов для магнитной обработки воды (ГМС) на постоянных магнитах с фланцевыми (слева) и резьбовыми (справа) соединениями. 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 м3/час, соответственно на трубопроводы диаметром 15-325 мм, однако есть опыт создания магнитных аппаратов для ТЭЦ с размерами трубопровода 4000 х 2000 мм. Рис. 5. Аппарат магнитной обработки воды на электромагнитах АМО-25УХЛ. Современные аппараты для магнитной обработки воды на основе постоянных и электромагнитов 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 др. 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. [5] Вывод и результат работы: Цели и задачи проектной деятельности выполнены. Приобретены новые знания, навыки исследовательской и проектной работы, оформления научно - исследовательской работы. Изучив различную литературу и статьи сети Интернет по заявленной теме, мы выяснили, что знание законов физики играет большую роль в жизни людей. Правильное использование соответствующих физических законов может помочь каждому человеку в достижении успеха. Проанализировав и систематизировав подученную информацию, мы определили, что 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. Список использованных источников 1. Тебенихин Е.Ф., Гусев Б.Т. Обработка воды магнитным полем в теплоэнергетике, Энергия, Москва, 1990. 2. Классен В.И. Омагничивание водных систем, Химия, Москва, 1978. 3. Чеснокова Л.Н. Вопросы теории и практики магнитной обработки воды и водных систем, Цветметинформация, Москва, 1991. 4. Креетов Г.А. Термодинамика ионных процессов в растворах, Ленинград, 2014. 5. Соловьева Г.Р. Вопросы теории и практики магнитной обработки воды и водных систем, Москва, 2018. |