к.т.н. Антонов С.Н.

ФГОУ ВПО Ставропольский государственный аграрный университет

Оптимизация магнитной системы

аппарата магнитной обработки воды

Конструирование, производство и эксплуатация аппаратов для магнитной обработки водных систем чрезвычайно затруднена тем, что отсутствуют научные основы этого процесса, доведенные до стадии инженерных расчетов, и не проводятся четкие сравнительные испытания различных аппаратов для изучения влияния их конструктивных элементов на процесс омагничивания. Создание и изготовление аппаратов производится на основе качественных представлений о механизме явлений, практики эксплуатации аппаратов в России и за рубежом, а иногда исходя из чисто интуитивных соображений [2].

При создании аппаратов учитывается необходимость разработки конструкций, которые, наряду с эффективным воздействием на водные системы, позволяют достигнуть высокого коэффициента использования магнитных источников, отличаются простотой и надежностью, по возможности, могут быть изготовлены из малодефицитных материалов и не создают больших потерь напора. От размера последнего фактора, характеризующего степень гидродинамического совершенства аппарата, зависит его производительность.

Эффект от обработки воды магнитным полем, зависит от параметров аппарата и свойств воды: индукции; градиента напряженности в зазоре аппарата; скорости потока воды; времени воздействия магнитного поля; количества пересечений магнитного поля; концентрации солей; количества агрессивной двуокиси углерода.

При проектировании новых аппаратов необходимо производить их расчет на соответствие определенным критериям. Учет этих критериев позволит сократить расход цветных сплавов или цветных металлов аппарата на 1 м³/ч расхода воды [3].

Основным критерием оптимального аппарата, принимается обеспечение в зоне обработки, определенного значения конструкционного модуля М. Этот показатель представляет собой произведение магнитной индукции аппарата, скорости пересечения водой магнитного поля υ и времени нахождения воды в зоне обработки t.

М=В_ср υ t, (1)

где М – конструкционный модуль, Тл·м;

В_ср – средняя магнитная индукция, Тл;

υ – скорость потока жидкости, м/с;

t – время нахождения жидкости в магнитном поле, с.

Для тех систем, где скорость потока жидкости можно принять постоянной уравнение приобретет вид:

М=В_ср l₀, (2)

где l₀ – путь воды в зоне обработки, м.

Опираясь на данные [2], можно сказать, что эффективной обработка будет при значениях М=0,002…0,02 Тл·м

Использование данного критерия проектировщиками позволяет им варьировать значениями магнитной индукции и шириной зоны обработки, для определения оптимальной конструкции аппарата, при сохранении заданного значения конструкционного модуля.

При проектировании, очень часто, сталкиваются с противоречивостью выбора из множества критериев. Необходимо учитывать важность критериев в каждом конкретном случае.

Получить магнитное поле в зоне обработки предполагается за счет изменения площади поперечного сечения магнитопровода, прохождению магнитного потока, что приведет к насыщению ферромагнитного материала в местах с наименьшим сечением. В результате насыщения этого участка, основной магнитный поток будет выталкиваться в окружающее пространство. Предполагаем, что возможно получить различные характеристики магнитного поля, изменяя конструкцию магнитной системы.

При составлении плана эксперимента нужно выбрать независимые факторы и расположить их априорно по значимости (ранжирование) [1]. Для сокращения объема исследований малозначащие факторы исключаются.

Исходя из формулы:

, (3)

можно сказать, что на величину конструкционного модуля (М) оказывают влияние следующие факторы: магнитодвижущая сила; длина тонкой шунтирующей стенки каркаса намагничивающей катушки; угол скоса полюсов каркаса намагничивающей катушки.

Если принять, что значение МДС остается неизменным, то особый интерес для исследования представляют собой два фактора.

Первый – α угол скоса полюса (Х1).

Второй – β длина тонкой стенки (Х2).

Рисунок 1 – Форма полюсов магнитной системы: α – угол скоса полюсов;

β – длина тонкой шунтирующей стенки

Комбинации условий двухфакторного эксперимента представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Комбинации условий двухфакторного эксперимента

№ п/п	Х1	Х2
1	+	+
2	+	-
3	-	+
4	-	-

Далее необходимо провести описание поверхности отклика, то есть определение коэффициентов уравнения регрессии методом крутого восхождения. Суть метода состоит в следующем. Фиксируем фактор Х2 и начинаем движение от угла 10⁰ до 90⁰ с шагом 10⁰. Фиксируем фактор Х1, изменяя длину тонкой стенки от 0 до 80мм с шагом 10мм.

Таблица 2 – Матрица проведения исследований

α β	10	20	30	40	50	60	70	80	90
0
10
20
30
40
50
60
70
80

Исходя, из полученной матрицы следует, что необходимо произвести расчет восьмидесяти одной конструкции магнитной системы.

В результате оптимизации магнитной системы получены зависимости изменения магнитной индукции в зоне обработки, а так же конструкция аппарата магнитной обработки воды с нанесением силовых линий магнитного поля.

Для анализа параметров магнитной системы необходимо построить графические зависимости изменения магнитной индукции рабочей зоны в функции линейных размеров: зависимость изменения магнитной индукции (В, Тл) вдоль стенки; зависимость изменения магнитной индукции (В, Тл) на расстоянии 12.5мм; зависимость изменения магнитной индукции (В, Тл) на оси симметрии; зависимость изменения магнитной индукции (В, Тл) в радиальном направлении.

Также необходимо провести анализ по такому параметру как конструкционный модуль.

Рисунок 2 – Поверхность изменения величины конструкционного модуля, вдоль стенки, в функции: 1-9 – угол скоса полюсов (α); Р1-Р9 – длина тонкой шунтирующей стенки (β)

Рисунок 3 – Поверхность изменения величины конструкционного модуля, на расстоянии 12.5 мм, в функции: 1-9 – угол скоса полюсов (α); Р1-Р9 – длина тонкой шунтирующей стенки (β)

Рисунок 4 – Поверхность изменения величины конструкционного модуля, на оси симметрии, в функции: 1-9 – угол скоса полюсов (α); Р1-Р9 – длина тонкой шунтирующей стенки (β)

Анализ результатов расчета магнитной системы позволяет сделать следующие выводы: предложенная магнитная система позволяет получить потоки выпучивания в сторону обрабатываемой воды и намагничивающей катушки; изменяя параметры магнитной системы (α, β) возможно перераспределение магнитных потоков; наибольшее значение магнитной индукции в рабочей зоне, получилось для магнитной системы с углом скоса 90⁰, и длиной тонкой стенки 0 мм; наибольшее значение конструкционного модуля, получилось для магнитной системы с длиной тонкой стенки 80 мм вне зависимости от угла скоса полюса.

Литература:

1. Асатурян В.И. Теория планирования эксперимента: учебн. пособие для вузов. – М.: Радио и связь, 1983. – 248 с.

2. Тебенихин Е.Ф. Безреагентные методы обработки воды в энергоустановках. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат,1985. – 142 с.

3. Антонов С.Н. Моделирование магнитных систем с использованием систем автоматизированного проектирования / С.Н. Антонов, И.К. Шарипов, В.Н. Шемякин, А.И. Адошев // Достижения науки и техники АПК – 2010. – №10. – С. 75–78.