Аппарат с вихревым слоем ферромагнитных элементов

Аппарат с вихревым слоем ферромагнитных элементов (аппарат вихревого слоя) — рабочая камера (трубопровод) диаметром 60-330 мм, расположенная в индукторе вращающегося электромагнитного поля. В рабочей зоне трубопровода содержатся цилиндрические ферромагнитные элементы диаметром 0,5-5 мм и длиной 5-60 мм в количестве от нескольких десятков до нескольких тысяч штук (0,05-20 кг) в зависимости от рабочей зоны аппарата^[1].

Электромагнитные аппараты с вихревым слоем ферромагнитных частиц были предложены в 1967 г. Д. Д. Логвиненко и О. П. Шеляковым^[2]. В монографии «Интенсификация технологических процессов в аппаратах с вихревым слоем», которая была написана этими авторами, показана возможность эффективного использования аппаратов в процессах^[3]:

• перемешивания жидкостей и газов;
• перемешивания твердых сыпучих материалов;
• сухого измельчения твердых веществ (микропомол);
• измельчения твердых веществ в жидких дисперсионных средах;
• активации поверхности частиц твердых веществ;
• осуществления химических реакций;
• изменения физических и химических свойств веществ.

В дальнейшем аппараты данного класса нашли свое развитие в работах многих исследователей^[4].

Эффект интенсификации технологических процессов и химических реакций достигается за счет интенсивного перемешивания и диспергирования компонентов, которые обрабатываются, акустической и электромагнитной обработки, высокого локального давления, электролиза и тому подобное. Применение аппаратов с вихревым слоем ферромагнитных частиц позволяет ускорять протекание реакций в 1,5-2 раза, сократить расход реагентов и электроэнергии на 20 %^[5].

Эффект измельчения определяется характером движения ферромагнитных элементов в рабочей камере аппарата. Измельчение частиц обеспечивается как свободным их соударением с ферромагнитными элементами, так и в результате стесненного соударения между двумя элементами или элементом и корпусом. Степень измельчения составляет 0,5 мкм (при начальном размере фракции 20 мм)^[6].

На сегодня аппараты с вихревым слоем ферромагнитных элементов фактически существуют (только под руководством Д. Д. Логвиненко их было спроектировано и произведено более 2000 штук), а также функционируют технологические линии на их основе^[7].

Примерами промышленного применения аппаратов для интенсификации процессов могут быть^[8]:

• приготовление пищевых эмульсий;
• приготовление многокомпонентных суспензий вулканизирующих и желатинирующих агентов (сера, окись цинка, сажа, каолин, кремнефтористый натрий) в производстве латексной губки; получение суспензий двуокиси титана, применяемой для матирования химических волокон;
• очистка сточных вод, содержащих кислоты, щелочи, соединения шестивалентного хрома, никеля, железа, цинка, меди, кадмия, других тяжелых металлов, цианистые соединения и другие загрязняющие вещества;
• получение пластичных смазок и эмульсолов;
• эмульгирование керосина в воде, приготовление силиконовой эмульсии в производстве резинотехнических изделий и др.

С помощью аппаратов могут измельчаться и доизмельчаться такие вещества, как каменный уголь, алюмосодержащие шлаки, кварцевый песок, технические алмазы, целлюлоза, мел, древесная мука, фторопласты и др.

Аппараты используются для обеззараживания, например, продуктов жизнедеятельности сельскохозяйственных животных^[9].

Вопросы электромеханики и конструкция аппаратов.                                                            

К основным параметрам, которые характеризуют вращающееся магнитное поле, создаваемое трехфазным индуктором в рабочей зоне аппарата при отсутствии ферромагнитных частиц, относятся: число пар магнитных полюсов, угловая скорость их вращения^[10]; величина и скорость вращения вектора магнитной индукции, годограф которого в реальных аппаратах представляет собой эллипс с эксцентриситетом увеличивающимся при приближении к поверхности рабочей камеры^[11] .

Магнитные свойства вихревого слоя, целесообразно характеризовать усредненными  по объему  величинами^[12].

Удобный параметр для энергетического контроля работы  вихревого слоя – его удельная мощность^[12][13].

Аппараты АВС - 100, АВС - 150 и др.^[3] ориентированы на равномерное распределение ферромагнитных частиц по объему рабочей зоны и имеют двухполюсный  индуктор^[10]. При разработке индуктора к этим аппаратам за аналог выбрана явнополюсная конструкция индукционных вращателей жидкой стали^[14]. Выбор явнополюсной конструкции индуктора был связан в основном с упрощенной технологией изготовления, удобством эксплуатации, ремонта и охлаждения^[12].

В центральной части рабочей зоны этих аппаратов магнитное поле в отсутствие ферромагнитных частиц близко к однородному: годограф вектора магнитной индукции в этой области близок к окружности, совпадая с ней в центре рабочей зоны аппарата^[11]; модуль вектора магнитной индукции равен примерно 0.12Тл (в различных аппаратах от 0,1 до 0,15Тл); угловая скорость его вращения составляет 314 радиан в секунду, что соответствует частоте вращения 3000 об/мин.

В работающем вихревом слое модуль вектора усредненной магнитной индукции достигает значений 0,2Тл и отстает от напряженности внешнего поля на некоторый фазовый угол^[12] .

Удельная мощность вихревого слоя в различных режимах для этих аппаратов составляет от 0,1 до 1,5 Квт на дециметр кубический рабочей зоны^[12].

Аппараты имеют двухконтурное масляно–водяное охлаждение, силовые конденсаторы для компенсации реактивной мощности индуктора и предусматривают питание от сети 380В, 50Гц. Другие конструктивные особенности аппаратов подробно описаны в монографии^[3].

В дальнейшем  линейка этих и подобных им аппаратов была освоена, модифицирована  и расширена другими изготовителями и разработчиками^[15][16][17]. В настоящее время в аппаратах применяются как явнополюсные индукторы, так и  индукторы с распределенной обмоткой, аналогичные статорам  электродвигателей; используются различные типы охлаждения, различные типы силовых конденсаторов.  При необходимости, в комплект  аппарата включают силовые преобразователи  напряжения и частоты питающей сети. Совершенствуются также методы контроля и управления работой вихревого слоя, технологических линий на его основе^[16].

В  научно-технических разработках, связанных с вопросами электромеханики  аппаратов рассматриваемого класса, иногда используется  компьютерное моделирование индуктора и поведения ферромагнитных частиц^[18][19]. Аналитическая модель силового воздействия кругового вращающегося магнитного поля на магнитную частицу в аппаратах с наружным электрическим индуктором с различным числом магнитных полюсов рассмотрена в работе^[20] .

Иногда для обозначения рассматриваемых аппаратов в зависимости от их назначения  применяются  другие названия. Например, если основным назначением аппаратов является измельчение  материалов, то такие устройства в некоторых источниках называют электромагнитными мельницами с ферромагнитными частицами^[16][18][19] т. д.

Недавно предложен способ и приведены примеры быстрого инженерного оценочного расчета и анализа характеристик рабочего вращающегося магнитного поля различных цилиндрических индукторов с продольной обмоткой^[21]

См. также

• Вихревой эффект
• Магнитное поле
• Вращающееся магнитное поле

Примечания

1. Оберемок, В. Н. Исследование процесса размола волокнистых материалов в вихревом слое ферромагнитных частиц под воздействием на них вращающегося магнитного поля / В. Н. Оберемок : дис. канд. техн. наук.- Л., 1976. — 159 с.
2. Кардашев Г. А. Физические методы интенсификации процессов химической технологии / Г. А. Кардашев. — М. : Химия, 1990. — 205 с.
3. Логвиненко Д. Д. Интенсификация технологических процессов в аппаратах с вихревым слоем / Д. Д. Логвиненко, О. П. Шеляков. — К.: Техніка, 1976. — 144 с.
4. Вершинин И. Н. Аппараты с вращающимся электромагнитным полем / И. Н. Вершинин, Н. П. Вершинин. — Сальск, 2007. — 368 с.
5. Никитенко М. И. Очистка сточных вод от ионов тяжелых металлов в аппаратах с вихревым слоем: дис. … канд. техн. наук: 05.23.04 / Никитенко Михаил Иванович; Полтавский НИиКТИ эмалированного химического оборудования, Полтавский технический ун-т. — Полтава, 1996. — 190 с.
6. Деревянкин Н. А. Аппараты с вихревым слоем в химической технологии. Обзорная информация. Химическое и нефтеперерабатывающее машиностроение / Н. А. Деревянкин, З. А. Михалёва. — Тамбов, 1989. — 37 с.
7. Мищенко М. В. Активация технологических процессов обработки материалов в аппаратах с вращающимся электромагнитным полем / М. В. Мищенко, М. М. Боков, М. Е. Гришаев // Фундаментальные исследования. — 2015. — № 2 (часть 16). — С. 3508-3512.
8. Тимонин А. С. Основы конструирования и расчета химичко-технологического и природоохранного оборудования / А. С. Тимонин: Справочник. Т. 2. — Калуга: Изд-во Н. Бочкаревой, 2002. — 1028 с.
9. Адошев А. И. Ферровихревой аппарат для обеззараживания жидкого свиного навоза: дисс. канд. техн. наук / А. И. Адошев. — Ставрополь, 2011. — 190 с.
10. [Logvinenko D.D., Shelyakov O.P., Polshchikov G.A. , Determination of the main parameters of vortex bed apparatus // Chemical and Petroleum Engineering. 1974. Vol. 10. Iss. 1, pp. 15-17, https://doi.org/10.1007/BF01146127 ].
11. Г. А. Польщиков, П. Б. Жуков . О движении магнитной частицы в аппарате с вихревым слоем, «Химическое машиностроение (республиканский межведомственный научно-технический сборник)», №22,  - , К.: «Технiка», 1975г, с.71-80,ac.edu/108899258/ Архивная копия от 11 ноября 2023 на Wayback Machine
12. Польщиков Г.А, Логвиненко Д.Д, Жуков П.Б., Некоторые вопросы расчета и проектирования аппаратов с вихревым слоем,  НИИХИММАШ, «Оборудование с использованием различных методов интенсификации процессов», вып.71,  - М,1975г, с.128-141,  УДК 621.929:537 ,ac.edu/108901501/ Архивная копия от 12 ноября 2023 на Wayback Machine
13. Г.А. Польщиков, П. Б. Жуков, Способ контроля процессов в аппарате с вихревым слоем. -  А. св. СССР 627848 , опубликовано 15.10.78 , бюлл.№38.
14. В.Ф. Кескюла , Э.М. Ристхейн,  «Возможные системы магнитопровода и обмоток индукционных вращателей.  - "Труды Таллинского политехнического института. Серия А.",1965г, №231, с.69-85.
15. GlobeCore Transformer Oil Purification Equipment, Bitumen Equipment (амер. англ.) (16 октября 2017). Дата обращения: 22 сентября 2023. Архивировано 21 сентября 2023 года.
16. [Ogonowski, S. On-Line Optimization of Energy Consumption in Electromagnetic Mill Installation. Energies 2021, 14, 2380, https://doi.org/10.3390/en14092380 ].
17. АВС  (рус.). www.apparat-nn.ru. Дата обращения: 22 сентября 2023. Архивировано 7 октября 2023 года.
18. [Calus,D. Makarchuk,O.; Analysis of interaction of forces of working elements in electromagnetic mill . PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 95 NR 12/2019, 64-69. https://doi.org/10.15199/48.2019.12.12 ].
19. [Całus, D. Experimental Research into the Efficiency of anElectromagnetic Mill. Appl. Sci. 2023, 13, 8717. https://doi.org/10.3390/app13158717 ].
20. Force effect of a circular rotating magnetic field of a cylindrical electric inductor on a ferromagnetic particle in process reactors. Technology Audit and Production Reserves, 2023,6(1(74), 34–40. https://doi.org/10.15587/2706-5448.2023.293005 https://www.researchgate.net/publication/376878647
21. H.Polshchikov,P.Zukov. Construction of a generalized mathematical model and fast calculations of plane-parallel rotating magnetic fields in process reactors with longitudinal currents of cylindrical inductors on a graphical calculator // Technology Audit and Production Reserves. — 2024. — Т. 5(1(79). — С. 38–49.