Исследование распределения напряженности магнитного поля в инерционном аппарате очистки судового моторного масла

Одним из способов очистки судовых моторных масел от механических примесей является инерционный способ, в котором посторонние частицы извлекаются из вязкой среды под действием центробежной силы [1]. К таким аппаратам следует отнести центрифуги и гидроциклоны. Если первые устройства широко применяются в системах очистки масла, то гидроциклоны используются крайне редко из-за их более низкого коэффициента полезного действия. Одним из способов повышения их эффективности является наложение полей магнитной природы.

Существуют различные конструкции этих аппаратов, однако в промышленности (в особенности горнодобывающей и тяжелой) десятилетиями успешно применяются гидроциклоны с радиальным магнитным полем, известные в зарубежной литературе как гидроциклоны Фрикера [2–4]. Одним из важнейших параметров таких устройств является распределение магнитного поля по радиусу и высоте рабочей камеры, которое необходимо для расчета сил коагуляции и магнитной силы, действующей на частицу или флокулу рабочей камере [5].

Вопросы, связанные с распределением магнитного поля в гидроциклоне, освещены в литературных источниках [2; 6; 7]. В [8] составлена зависимость напряженности магнитного поля в рабочей камере от радиуса и высоты.

Материалы и методы

Для проверки правильности составленной зависимости проводились измерения магнитного поля в опытном образце магнитного гидроциклона. Более подробно параметры гидроциклона описаны в [9]. Катушка магнитного гидроциклона выполнена из медного провода ММ (ГОСТ 16130–90) диаметром 0,6 мм; уложена в 14 слоев по 32 витка, итого – 448 витков. Замеры индукции магнитного поля производились с помощью тесламетра ЭМ4305 (ТУ У 33.2-00226098-022-2001) у стенок магнитопровода в плоскости с магнитопроводом у внешней стенки аппарата. Замеры проводились через каждые 5 мм по высоте и радиусу.

На рис. 1 представлена схема гидроциклона с радиальным магнитным полем и области, в которых осуществлялись замеры напряженности магнитного поля.

Напряженность поля находилась из магнитной индукции по следующей формуле: H =µ _f ⋅µ ₀ ⋅B.

Рис. 1. Магнитный гидроциклон и области измерения магнитного поля в рабочей камере Fig. 1. Magnetic hydrocyclone and areas of the magnetic field measuring in the working chamber

Результаты и обсуждение

Сопоставим полученную зависимость распределения напряженности магнитного поля в рабочей камере гидроциклона с экспериментальными данными.

Напряженность поля в зависимости от радиуса R и высоты Z представлены ниже [8]:

_R   n R

H (R)=H 0 •Ivl ;

Z ⋅ n _Z

-

H ( Z ) = H b + ( H 0 - H b ) . e h C ,

где n R , n Z – эмпирические коэффициенты, учитывающие кривизну графика.

Модель изменения напряженности магнитного поля в рабочей камере по радиусу и высоте гидроциклона может быть представлена в следующем виде:

H (R, Z) =

Z ⋅ n _Z

-

H в + ( H о — H в ) • e h C

n R

IR^ I I R J

Полученные данные при различных значениях питаемого постоянного тока представлены на рис. 2 и 3.

а

Радиус, м

Радиус, м

б

Рис. 2. Изменение напряженности магнитного поля в рабочей камере гидроциклона по радиусу при различных токах: а – I = 1 А (R ² = 0,995); б – I = 1,85 А (R ² = 0,997)

Fig. 2. Change the strength of the magnetic field in the hydrocyclone working chamber along the radius for different currents: a – I = 1 A (R ² = 0.995); b – I = 1,85 A (R ² = 0.997)

Высота, м а

б

Рис. 3. Изменение напряженности магнитного поля в рабочей камере гидроциклона по высоте при различных токах: а – I = 1 А (R ² = 0,975); б – I = 1,85 А (R ² = 0,977)

Fig. 3. Changes in the magnetic field strength in the hydrocyclone working chamber along the height at different currents: a – I = 1 A (R ² = 0.975); b – I = 1,85 A (R ² = 0.977)

Распределение напряженности поля в цилиндрической части гидроциклона по радиусу и высоте представлено на рис. 4 при различных значениях тока.

□ 2,00-3,00 □ 1,00-2,00

0,00-1,00

1,00

0,00

0,00

0…

Радиус, м 0^,04

0,03

0,02

Высота, м

а

□ 3,00-4,00

□ 2,00-3,00

□ 1,00-2,00

□0,00-1,00

4,00

3,00

2,00

0,02

1,00

0,00

0,00

0,04

Радиус, м 0,04

0,03

0,02

Высота, м

б

Рис. 4. Изменение напряженности магнитного поля в рабочей камере гидроциклона по радиусу и высоте при различных токах: а – I = 1 А; б – I = 1,85 А

Fig. 4. Changes in the magnetic field strength in the hydrocyclone working chamber along the radius and height at different currents: a – I = 1 A; b – I = 1.85 A

Полученное распределение магнитного поля в рабочей камере гидроциклона аналогично данным, опубликованным В. И. Просвирниным [10] и Дж. Чен [2]. Несколько экспериментально снятых точек выпадают из зависимости, что вызвано неидеальностью изготовления аппарата и самой процедуры замера индукции магнитного поля.

В третьем случае при протекании тока I = 2,5 А напряженность поля практически не выросла, несмотря на значительное увеличение электрической мощности, подаваемой на катушку индуктивности. Это объясняется тем, что магнитопровод аппарата насытился, и дальнейшее увеличение тока не приведет к существенному увеличению поля. На большей части высоты гидроциклона поле можно считать постоянным, например, при токе в 1 А по абсолютной величине оно достигает 1,2 × 10 ⁴ А/м и достаточно для коагуляции магнитных частиц.

Отличительной особенностью экспериментального гидроциклона является то, что внешний контур магнитопровода выполнен из узких вертикальных полосок. Вышеприведенные замеры проводились у полюса магнитопровода со стороны корпуса аппарата (рис. 1). Напряженность магнитного поля между полюсами магнитопровода будет немного меньше, чем у полюса, однако достаточной не только для сохранения флокулы, но и для дальнейшего укрупнения. Графики распределения магнитного поля у полюса магнитопровода и между ними показаны на рис. 5.

Рис. 5. Изменение напряженности магнитного поля в рабочей камере гидроциклона по радиусу при различных значениях тока: а – I = 1 А; б – I = 1,85 А

Fig. 5. Changes in the magnetic field strength in the hydrocyclone working chamber along the radius at different currents: a – I = 1 A; b – I = 1.85 A

Практическая реализация применения магнитных гидроциклонов различных конструкций и их преимущества перед традиционными способами очистки описаны в [1; 2; 6; 7; 11].

Выводы

Проведены экспериментальные исследования распределения напряженности магнитного поля в рабочей камере гидроциклона с радиальным магнитным полем по радиусу и высоте. Полученные эмпирические данные совпадают с ранее найденной зависимостью изменения поля. Без этой зависимости невозможен расчет сил коагуляции и магнитной силы.