CC BY
101
УДК 631.362 В.И. Чарыков, С.А. Соколов, А.И. Яковлев
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ СЕПАРАТОР УМС-3М: ОТ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДО КОНСТРУКЦИИ
В статье приведен пример математического моделирования процесса очистки жидких (мокрых) продуктов от металлических примесей в неоднородном магнитном поле рабочей зоны сепаратора УМС-3М. Приведены конструкция сепаратора и его технические характеристики.
Ключевые слова: моделирование, магнитное поле, сепаратор, металлические примеси, конструкция.
V.I. Charykov, S.A. Sokolov, A.I.Yakovlev ELECTROMAGNETIC SEPARATOR UMS-3M: FROM THE MATHEMATICAL MODEL TO THE CONSTRUCTION
The example of the mathematical modeling of the process of the liquid (wet) product cleaning from the metal admixtures in the non-uniform magnetic field of the UMS-3M separator working zone is given in the article. The construction of the separator and its technical characteristics are presented.
Key words: modeling, magnetic field, separator, metal admixtures, construction.
Введение. Строительство подстанций, линий электропередач высокого и низкого напряжений для нужд народного хозяйства требует большого количества высококачественных электроизоляционных материалов, обладающих повышенными электрическими и механическими свойствами.
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:
t1 < Г 2 , (1)
где и - время притяжения частиц, с;
12 - 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 ОУ. Движение частицы вдоль оси ОХ. При установившемся режиме через любое поперечное сечение желоба с поперечным сечением 5 = Ьа за одну секунду будет протекать одно и то же количество шликера
в = РжXV = РжНаУ, (2)
где рж - плотность масла, кг/м3;
V - скорость течения масла, м/с.
Так как длина желоба равна I, то время нахождения частицы в желобе при движении ее вдоль оси ОХ будет
, = 1 = РжидШ
2 = у ~ в
Движение частицы вдоль оси ОУ. При движении частицы вдоль оси ОУ 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 Ив, т.е. при небольших скоростях движения, сопротивление среды можно определить с помощью формулы Стокса
^ = 6п ЦГГУ , (4)
где Гг - характерный для поперечного сечения тела размер. Для тела круглой формы, т.е. для шара г- -радиус шара, м;
V - скорость движения тела в жидкости, м/с.
При движении частицы вдоль оси ОУ на нее, кроме силы сопротивления среды, действуют еще сила тяжести частицы и архимедова сила, равная
/ ' = К (Рг - Ржид )§ , (5)
где Vг - объем частицы, м3;
Р г - плотность частицы, кг/м3;
Ржид - плотность масла, кг/м3;
д - ускорение свободного падения тела, д = 9,81 м/с2.
Магнитная сила, действующая на частицу, помещенную в магнитное поле, определяется исходя из знания потенциальной энергии [3]
=- , (6)
где № - потенциальная энергия, Дж.
Потенциальная энергия магнитного поля, действующая на частицу объемом V, определяется по следующей формуле [3]:
V B2
W = --(7)
2UoW
где Vr - объем частицы, находящейся в магнитном поле, м3;
B - магнитная индукция, Тл;
Uo - магнитная постоянная вакуума, Гн/м;
U- 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 —-=---— grad B (8)
2 Uo U 2 Uo U
Значение магнитной силы, действующей в направлении оси OY
F = = _ VBdB (9)
м 2uoU dy UoU dy '
В окончательном виде дифференциальное уравнение, описывающее движение частицы, имеет вид
y + ППу | V-AB(Bmax +AB) y = V-ABBmaX + V- (р - ржид )g
* * 12 * i * ' m muoudn muoudn 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 метал-ломагнитные 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.
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
KM
N
VD1...VD3
S1
S2 KM
KM
HK1
HK2
HK3
HK4
НК1 НК2 НК3 HK4
Рис. 2. Электрическая схема установки УМС-3М
Технические характеристики УМС-3М
Производительность, л/ч 1000
Мощность магнитной системы, кВт 0,9*
Напряжение переменного тока, подаваемое на выпрямительное устройство, В 220
Напряжение постоянного тока, подаваемое на катушки намагничивания, В 198
Магнитная индукция на концентраторах, мТл 200-300
Периодичность очистки, ч 2-3
Угол наклона магнитной системы, град 15-30
Габаритные размеры, мм:
длина 520
ширина 450
высота 635-800
Масса, кг 200**
мощность двух секции; ** масса двух секции.
Заключение. Электромагнитные сепараторы серии УМС (установка мокроИ 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 изменении в конструкцию концентраторов магнитного поля, могут быть использованы для очистки моторных масел, смазочно-охлаждающих жидкостей.
Литература
1. Зуев В.С., Чарыков В.И. Магнитная сепарация жидких материалов сепараторами серии УМС // Мат-лы Всерос. науч.-практ. конф. - Курган: Полиграфист, 2000. - С. 11.
2. Никулин Н.В. Производство фарфоровых изоляторов. - М.; Л.: Госэнергоиздат, 1958. - 210 с.
3. Сумцов В.Ф. Электромагнитные железоотделители. - М.: Машиностроение, 1981. - 212 с.
rv»
