РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО КЛАПАНА НА ОСНОВЕ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ

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

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: n_1, 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 n_н = 1,57; для магнитной жидкости на основе воды n_в = 1,54 для магнитной жидкости с олеиновой кислотой n_о = 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: n_1, 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 n_н = 1,58, для магнитной жидкости на основе воды n_в = 1,56, для магнитной жидкости с олеиновой кислотой n_о = 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 (n_н = 1,58; n_о = 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 φ_т

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.