Электромагнитный сепаратор УМС-3М: от математической модели до конструкции

В наибольшей степени этим высоким требованиям соответствует фарфор, считающейся наилучшим электроизоляционным материалом. При применении его с этой целью единственное препятствие – трудность в обогащении составляющих фарфора.

Исследованиями установлено, что частицы железа создают на поверхности черепка мушку размером в 5 раз больше, а внутри черепка – в 3 раза больше первоначальных размеров частиц [1].

В технологической схеме по производству электротехнического фарфора магнитная сепарация производится дважды: после воздушного сепаратора, а также после процеживания шликера (устойчивая суспензия) [2].

Для очистки шликера применяют магнитные и электромагнитные сепараторы. По сравнению с традиционными методами очистки (кислотным, щелочным, адсорбционным, контактным, ионообменным) магнитный метод более прост. Он не требует реагентов, имеет в 2–5 раз большую скорость очистки.

Принцип очистки . Шликер течет тонким слоем h вдоль наклонного желоба сепаратора (рис.1) длиной £ и шириной a . В желобе при помощи концентраторов создается неоднородное магнитное поле. Эффективность сепарации зависит от скорости течения жидкости и магнитного поля желоба. Критерий эффективности выражается в следующем виде:

t ₁ < t ₂ ,

где t 1 – время притяжения частиц, с;

1 2 - время нахождения частицы в желобе при движении ее вдоль оси ОХ на расстояние £ , с.

Для использования критерия (1) необходимо знать закон движения частицы вдоль осей ОХ и ОY .

Движение частицы вдоль оси ОХ. При установившемся режиме через любое поперечное сечение желоба с поперечным сечением S = ha за одну секунду будет протекать одно и то же количество шликера

Q = pSV = phaV, ж        ж, где pж - плотность масла, кг/м3;

V – скорость течения масла, м/с.

Так как длина желоба равна £ , то время нахождения частицы в желобе при движении ее вдоль оси

ОХ будет

= £ = Ржид ha £ VQ

Движение частицы вдоль оси ОY . При движении частицы вдоль оси ОY на частицу действуют две силы: магнитная сила, создаваемая магнитным полем в желобе и на концентраторах, и сила сопротивления движению частицы, создаваемая продуктом. Всем реальным жидкостям присуща вязкость или, другими словами, внутреннее трение. Вязкость проявляется в том, что возникшее в жидкости движение после прекращения действия причин, его вызвавших, постепенно прекращается. Опытами установлено, что при малых числах Рейнольдса R e , т.е. при небольших скоростях движения, сопротивление среды можно определить с помощью формулы Стокса

Fc = 6П nrrv .

где   rr – характерный для поперечного сечения тела размер. Для тела круглой формы, т.е. для шара rr – радиус шара, м;

v – скорость движения тела в жидкости, м/с.

При движении частицы вдоль оси OY на нее, кроме силы сопротивления среды, действуют еще сила тяжести частицы и архимедова сила, равная

f ' = Vr (Рг - РжиД )g .                              (5)

где    V r – объем частицы, м³;

p r - плотность частицы, кг/м³;

Р жид - плотность масла, кг/м³;

g – ускорение свободного падения тела, g = 9,81 м с² .

Магнитная сила, действующая на частицу, помещенную в магнитное поле, определяется исходя из знания потенциальной энергии [3]

F_M = - grad W ,                             (6)

где W – потенциальная энергия, Дж.

Потенциальная энергия магнитного поля, действующая на частицу объемом V, определяется по следующей формуле [3]:

W =

VrB2

2^0^

где    V r – объем частицы, находящейся в магнитном поле, м³;

B – магнитная индукция, Тл;

^ o - магнитная постоянная вакуума, Гн/м;

^ - относительная магнитная проницаемость масла, Гн/м.

С учетом формулы (7) магнитная сила, действующая на частицу в магнитном поле, определяется следующим выражением:

V B2 V         2

FM = — grad W = — grad —--=--r— grad B2.

2^0^    2^0^

Значение магнитной силы, действующей в направлении оси OY

Vr dB2    VrB dB

---=--- 2^o^ dy    ^o^ dy

В окончательном виде дифференциальное уравнение, описывающее движение частицы, имеет вид

6ПП, , №(Bmx + M) _ Vr^BBmox . Vr (Pr - РжиД )g

У +У +2У =1. m        m^0^dn       m^0^dn       m

Решение уравнения (10) легло в основу создания электромагнитного сепаратора УМС -3М.

Установка для мокрой магнитной сепарации УМС-3М предназначена для удаления металлических включений из суспензии, глазури, шликера и других жидких материалов. Общий вид установки УМС-3М представлен на рисунке 1.

Сепаратор содержит основание 1 , лоток 2 , под которым смонтирован магнитный блок 3 , включающий 12 электромагнитов, содержащих магнитопроводы 4 , катушки намагничивания 5 и постоянные магниты 10 . Лоток 2 вместе с магнитным блоком 3 с одной стороны шарнирно укреплен с помощью оси 6 на стойке основания 1 , а с другой стороны – опирается на выдвижной шток 7 . Угол наклона лотка может регулироваться.

Катушки намагничивания 5 монтируются на П-образном магнитопроводе 4 , который винтами 8 плотно поджимается к лотку 2 . Для распределения магнитного потока по поверхности лотка имеются полюсные наконечники. Сепаратор выполнен секционным, с возможностью повышения качества сепарации за счет увеличения количества секций. Катушки намагничивания питаются постоянным током, получаемым от трехфазного однополупериодного выпрямителя.

Магнитные потоки, создаваемые электромагнитами, пронизывают поток шликера, притягивая металломагнитные частицы ко дну лотка. Для повышения уровня магнитной индукции и создания неоднородного магнитного поля на полюсных наконечниках созданы концентраторы 9 в виде двухгранных выступов с углом 90° между гранями. Электромагниты в каждой секции смонтированы в три ряда по 4 штуки в одном ряду.

СЕКЦИЯ 1 А-А

Рис. 1. Установка для мокрой магнитной сепарации УМС-3М

Магнитный сепаратор работает следующим образом. Шликер поступает в наклонный лоток 2 верхней секции и протекает по лотку сверху вниз по обеим секциям, сливаясь в ванну для очищенной суспензии. Протекая над концентраторами 9 , магнитные примеси притягиваются к ним, оседая на дне лотка. После окончания сепарации катушки намагничивания отключаются. Лоток промывается водой и очищается щеткой от налипших магнитных примесей. При промывке, после отключения катушек намагничивания, нельзя допускать попадания смываемых металломагнитных примесей в очищенную продукцию.

Электрическая схема установки приведена на рисунке 2. Все катушки одной секции соединяются последовательно и подсоединяются к выпрямленному напряжению U = 260В. Это напряжение создается трёхфазным однополупериодным выпрямителем . Подсоединение катушек производится между средней точкой выпрямителя и нулевым проводом N.

~ 380B

Технические характеристики УМС-3М

Производительность, л/ч1000

Мощность магнитной системы, кВт0,9

Напряжение переменного тока, подаваемое на выпрямительное устройство, В220

Напряжение постоянного тока, подаваемое на катушки намагничивания, В198

Магнитная индукция на концентраторах, мТл                                               200-300

Периодичность очистки, ч2–3

Угол наклона магнитной системы, град15–30

Габаритные размеры, мм:

длина520

ширина450

высота                                                                              635–800

Масса, кг

200**

* мощность двух секций;

** масса двух секций.

Заключение. Электромагнитные сепараторы серии УМС (установка мокрой сепарации), в основе которых лежит разработанная авторами математическая модель отделения примесей от жидких материалов, надежно очищает составляющие электротехнического фарфора от металлических примесей. Установки УМС, при внесении изменений в конструкцию концентраторов магнитного поля, могут быть использованы для очистки моторных масел, смазочно-охлаждающих жидкостей.