Статья опубликована в рамках: II Международной научно-практической конференции «Экспериментальные и теоретические исследования в современной науке» (Россия, г. Новосибирск, 13 сентября 2017 г.)

Наука: Физика

Скачать книгу(-и): Сборник статей конференции

Библиографическое описание:
Подшивалов А.И. РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО КЛАПАНА НА ОСНОВЕ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ // Экспериментальные и теоретические исследования в современной науке: сб. ст. по матер. II междунар. науч.-практ. конф. № 2(2). – Новосибирск: СибАК, 2017. – С. 61-66.
Проголосовать за статью
Дипломы участников
У данной статьи нет
дипломов

РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО КЛАПАНА НА ОСНОВЕ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ

Подшивалов Андрей Игоревич

руководитель научного комитета общества инженеров нефтяников SPE Тюменского индустриального университета,

РФ, г.Тюмень

На сегодняшний день транспортировка различных жидкостей от воды до нефтепродуктов по каналам трубопроводов является очень важным и необходимым звеном в современной промышленности. Устройства и технологий в этой области должны обеспечивать высокую скорость транспортировки, сохранять качество продукции, быть безопасными и энергоэффективными.

Существующие дозирующие, перекрывающие устройства, клапаны и предохранители трубной промышленности быстро изнашиваются, ломаются и протекают, это может стать причиной аварий и технологических катастроф, нанести вред окружающей среде и привести к большим финансовым потерям.

Таким образом совершенствование существующих и создание новых более качественных энергоэффективных устройств является важной задачей трубной промышленности.

Электромагнитный клапан на основе магнитной жидкости является новым инновационным устройством, позволяющим перекрывать и дозировать различные жидкости в каналах трубопроводах. Научная новизна создаваемого клапана заключается в использовании нано материала – магнитной жидкости, которая способна мгновенно переходить из жидкого состояние в твердое и обратно под действием магнитного поля.

Для определения оптимальных физико-технических параметров и создания энергоэффективного и безопасного электромагнитного проведена научно-исследовательских работа по договору о предоставлении гранта № 10194ГУ/2015.

Проведено исследование состава магнитной жидкости с целью определения оптимальных параметров по удержанию столба жидкости. Была приготовлена магнитная жидкость на основе нефти, магнитная жидкость на основе воды и магнитная жидкость с олеиновой кислотой. Для сравнения полученных жидкостей и выбора наиболее подходящей, опытным путем были измерены следующие физические характеристики: плотность (определялась весовым методом по выталкивающей силе); концентрация твердой фазы в магнитном коллоидном растворе (рассчитана по плотности насыщения магнитной жидкости); начальная магнитная восприимчивость (определена исходя из зависимости намагничивания феррожидкости от напряжения магнитного поля); динамическую вязкость жидкостей определяли экспериментальным методом Стокса. Физические характеристики магнитной жидкости приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Физические характеристики магнитной жидкости

Жидкость

Плотность p, г/см3

Концент-рация тв. ф.  

Поверхност-ное натяжение Ϭ, дин/см

Динамичес-кая вязкость η, сПз

Начальная магнитная восприимчивость, χ0*

МЖ на основе нефти

1,25

6,5

26

23

5,2

МЖ на основе воды

1,1

7

25

20

2

МЖ с олеиновой кислотой

1,5

10

31

25

7

 

Результаты опытов показали, что наиболее оптимальной жидкостью является МЖ с олеиновой кислотой, имеющая повышенное значение плотности р = 1,5 г/см3 и концентрации твердой фазы φ   = 10%, динамическая вязкость жидкости составила η = 25 сПз, а начальная магнитная восприимчивость χ0 = 7.

Исследование по совместимости магнитной жидкости с другими жидкостями проводилось методом оптического отражения света от межфазной границы «магнитная жидкость – вода (нефть)» Была собрана экспериментальная установка, изображённая на рисунке 1.

 

Рисунок 1. Схема экспериментальной установки: 1 – цифровой осциллограф; 2,11 – фотодиоды; 3 – светофильтр; 4 -гомогенная жидкость; 5 – магнитная жидкость; 6 – кювета; 7,10 – электроды, 8 – поляроид; 9 – лазерная указка; 12 – вольтметр

 

В прямоугольную стеклянную кювету 6 на дно помещается медный электрод 10. Затем заливается вода (нефть), далее магнитная жидкость. Кювету помещают на подъемный столик от оптической скамьи. На скамье расположена лазерная указка 9 с дополнительным поляроидом 8. Луч лазерной указки, попадает на границу двух жидкостей под углом Θ. Подобный опыт был проведен в работе [1, с. 42]. Изображение линии света, проходящей через две жидкости, представлено на рисунке 2.

 

Рисунок 2. Модель двухслойной структуры: n1, n2 – показатели преломления гомогенной жидкости (воды) и основного объема магнитной жидкости

 

Световой поток проходит через слой воды и отражается от межфазной поверхности «вода - магнитная жидкость». Отраженный свет через светофильтр 3 попадает на фотодиод 2. Электрический сигнал от фотодиода 2, который работает в гальваническом режиме, регистрируется с помощью цифрового осциллографа, который выводит осциллограмму на экран. Таким образом показатель преломления для магнитной жидкости на основе нефти составил nн = 1,57; для магнитной жидкости на основе воды nв = 1,54 для магнитной жидкости с олеиновой кислотой nо = 1,59. Показатель преломления воды во всех опытах составил n1 = 1,33.  Таким образом можно сделать вывод, что показатель преломления магнитной жидкости зависит от концентрации твердых частиц и плотности жидкости.

Также был проведен опыт при воздействии электромагнитным полем на кювету, в результате чего осциллографом была выявлена новая, ранее не определенная среда 3 (Рисунок 3). 

 

Рисунок 3. Модель трехслойной структуры: n1, n2, n3 – показатели преломления воды, основного объема магнитной жидкости и высококонцентрированного слоя магнитной жидкости соответственно

 

Показатели преломления высококонцентрированного слоя по сравнению с показателями преломления обычного слоя магнитной жидкости стали выше. Для концентрированного слоя магнитной жидкости на основе нефти показатель составил nн = 1,58, для магнитной жидкости на основе воды nв = 1,56, для магнитной жидкости с олеиновой кислотой nо = 1,6. Таким образом можно сделать вывод о том, что под воздействием магнитного поля среда становиться более плотной и обладает повышенным значением поверхностного натяжения.

Процесс образования новой среды (слоя) связан с тем, что частицы твердой фазы мигрируют к электроду, в результате чего происходит образование тонкой концентрированной пленки магнитной жидкости на границе раздела двух сред «магнитная жидкость – вода»

Концентрированный слой жидкости, возникающий вследствие воздействия магнитного поля был зафиксирован при проведении опытов со всеми магнитными жидкостями. Однако были некоторые различия. При взаимодействии магнитной жидкости на основе нефти с водой под действием магнитного поля образовался небольшой осадок нефти в воде, что является нежелательным явлением, и говорит о том, что магнитная жидкость на основе нефти обладает недостаточной устойчивостью по отношению к воде. При взаимодействии магнитной жидкости с олеиновой кислотой концентрированный слой жидкости, образовавшийся под воздействием магнитного поля оказался на несколько долей мм больше, о чем свидетельствуют различия в показателях преломления (nн = 1,58; nо = 1,6.)

Как уже отмечалось ранее опыты по определению межфазной отражательной способности проведены для трех магнитных жидкостей: 1) магнитная жидкость на основе нефти 2) магнитная жидкость на основе воды 3) магнитная жидкость с олеиновой кислотой. Выявлена зависимость отражающей способности жидкости R от концентрации твердой фазы вещества (Рисунок 4) Поскольку у магнитной жидкости с олеиновой кислотой наибольший показатель, концентрации твердой фазы вещества, то и показатель отражающей способности у данной жидкости оказался выше.

 

Рисунок 4. Зависимость отражательной способности R от объемной концентрации магнетита φт

 

Заключение.

Проведенные исследования позволили выяснить, что магнитная жидкость на основе олеиновой кислоты является наиболее оптимальной жидкостью для создания электромагнитного клапана, поскольку данная магнитная жидкость и вода не смешиваются как в обычном состоянии, так и в электрическом поле. Важно отметить, что магнитная жидкость на основе олеиновой кислоты не дает осадка (как в случае с магнитной жидкостью на основе нефти). Также выявлено, что при возникновении электрического поля возникает третья более плотная среда – концентрированная магнитная жидкость с повышенным значением поверхностного натяжения, что позволит использовать магнитную жидкость в качестве перекрывающего клапана.

 

Список литературы:

  1. Бойко Ю.А. Исследование изменения отражательной способности и межфазного натяжения на границе «гомогенная жидкость – магнитная жидкость» в электрическом поле : дис. … канд. физ.– мат. наук. – Ставрополь, 2014. – С. 42 – 45.

Проголосовать за статью
Дипломы участников
У данной статьи нет
дипломов

Оставить комментарий