Совершенствование очистителей рабочих жидкостей насосов с использованием гидроэлектрических технологий (стр. 11 )

Исследования очистителя со сложной конфигурацией магнитного поля не только показали высокую эффективность очистки жидкости от ферромагнитных загрязнений, но и выявили недостаток этого очистителя – сложность регенерации, для которой требуется сначала подать на очиститель напряжение обратной полярности, чтобы размагнитить улавливающие диски, затем отключить питание очистителя от сети, разобрать его и тщательно промыть улавливающие диски, что на практике не очень удобно.

Электромагнитный очиститель с бегущим электромагнитным полем.

Нами была разработана конструкция очиститель с бегущим магнитным полем. Этот очиститель позволит экономить электроэнергию, снять проблемы с регенерацией очистителя, а также снизить расход электротехнической стали за счет отсутствия улавливающей системы как в ранее разработанных фильтрах со сложной конфигурацией магнитного поля [74, 24]. На рис.2.15 изображена конструкция такого очистителя.

На наружной поверхности корпуса 2 расположена в верхней части электромагнитная система 3, создающая бегущее магнитное поле. Магнитное поле с одной стороны, притягивает ферромагнитные частицы, находящиеся в зазоре между корпусом 2 и отводящей жидкость трубой 1, к наружной стенке фильтра, а с другой стороны перемещает притянутые ферромагнитные частицы в сторону бункера 5, где они удерживаются электромагнитом постоянного тока 4. Бегущее магнитное поле создается кратковременной подаче напряжения на отдельные катушки электромагнитной системы. Закон изменения электромагнитного поля внутри очистителя зависит от вязкости жидкости, параметров частицы загрязнения и т. д. При необходимости удаления отделенных от жидкости ферромагнитных частиц из очистителя электромагнит 4 отключается от сети и открывается затвор 6. Очищенная жидкость через выходную трубку поступает к потребителю[74].

Рис.2.15. Электромагнитный очиститель с бегущей волной.

1 - выходная трубка; 2 - корпус фильтра; 3 – электромагнитная система; 4 – постоянный электромагнит; 5 – собирающий бункер; 6 – затвор

Рассмотрим силы, действующие на частицу, которая находится в зазоре между трубами. Для этого воспользуемся рис.2.16. На частицу действуют сила тяжести G, архимедова сила Fa, сила сопротивления частицы в продольном направлении Fcz и силы сопротивления движению частицы Fcρ в поперечном направлении, после приложения пондеромоторной силы. Здесь же показаны направления сил и координаты – вдоль оси очистителя – цилиндрические координаты, обозначенные через z, а в радиальном направлении через ρ. Параметры движения частицы между трубами можно рассчитать, если решить совместные системы гидродинамических и электромагнитных уравнений.

Рассмотрим сначала теоретически работу очистителя. В этом случае примем во внимание пондеромоторную силу, силу сопротивления Стокса и силу инерции.

Рис.2.16 Схема сил и скоростей действующих на частицу в кольцевой щели.

Инерционность частицы будет определять максимальную частоту переключения обмоток электромагнитной системы очистителя. Учет инерционности позволит устанавливать максимальную скорость движения частиц загрязнения в бункер. В идеальном случае при отсутствии сопротивления среды и единичной толщины витка скорость движения ферромагнитной частицы совпадает со скоростью магнитного поля и определяется только частотой переключения напряжения на каждый следующий виток обмотки. В реальности же частица будет двигаться с запаздыванием, величина которого определяется законом движения частицы загрязнения в магнитном поле, скоростью жидкости и диаметром витка провода [25].

Для определения закона движения частицы, рассчитаем силы действующие на нее. Для определения силы сопротивления Стокса необходимо рассчитать поле скоростей жидкости в рабочем канале фильтра. Расчет будем выполнять в следующем порядке, используя рис.2.17. Начало координат поместим в середине зазора, направив ось вдоль течения жидкости, а ось - по нормали к стенкам очистителя. Возьмем два нормальных поперечных сечения потока на расстоянии одно от другого и рассмотрим ширину потока равную единице.

 

Рис.2.17. К расчету поля скоростей.

Для этого выделим объем жидкости в виде прямоугольного параллелепипеда, расположенного симметрично относительно оси между выбранными поперечными сечениями потока и имеющего размеры сторон . Тогда условие равномерного движения выделенного объема вдоль оси запишется следующим выражением

,

где - перепад давлений в рассматриваемых сечениях (знак "-" обусловлен тем, что производная скорости отрицательна).

Для определения приращения скорости , соответствующее приращению координаты , проинтегрируем выражение и после интегрирования получим

.

Учитывая, что при значении приращение скорости , вычислим величину С

,

тогда

.

Подсчитаем расход, приходящийся на единицу ширины потока, для чего возьмем симметрично относительно оси OZ две элементарные площадки размером и выразим элементарный расход жид кости используя следующее выражение

.

Отсюда расход запишем в виде

Потерю давления в очистителе выразим через среднюю продольную скорость . Тогда выражение для перепада давления в рассматриваемых сечениях запишется

.

Приведем полученные уравнения к случаю кольцевой щели. Ширину этой щели будем рассматривать не как единичную, а как величину равную . Поскольку и , тогда расход жидкости запишем в виде

Величину можно выразить через х. Тогда при

Распределение скоростей в зависимости от х можно записать как

.

Число Рейнольдса для кольцевой щели определим

Для этого случая критическое число Рейнольдса принимаем равным , а закон сопротивления, выраженный через гидравлический радиус [91].

Рассмотрим пондеромоторную силу, действующую на частицу загрязнения, которая находится в магнитном поле очистителя.

Как и в предыдущем случае при рассмотрении электромагнитного очистителя со сложной конфигурацией магнитного поля, пондеромоторную силу определим по (2.3). Рассмотрим основные величины для определения пондеромоторной силы.

В каждый отдельный момент времени магнитное поле создается единичным витком обмотки, на который подается кратковременно постоянное напряжение. Напряженность магнитного поля в этом случае на оси единичного витка определяется выражением из [28]

.

Используя подход, ранее изложенный при рассмотрении электромагнитного очистителя со сложной конфигурацией магнитного поля, получим выражение для определения напряженности поля в произвольном месте пространства в виде

.

Далее возьмем производные от выражения, определяющее напряженность поля, по координатам и и получим