Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ существующих задач регулирования потоков в электрогидравлических системах 16
1.1. Обзор электрогидравлических регулирующих устройств
1.2. Вихревая камера как элемент струйной техники 21
1.3. Классификация электрогидравлических вихревых элементов 28
1.3.1. Магнитогидродинамические вихревые элементы 29
1.3.2. Электрогидродинамические вихревые элементы 34
1.3.3. Феррогидродинамические вихревые элементы 39
Выводы 40
Глава 2. Физические основы и теоретические исследования магнитожидкостного вихревого элемента 41
2.1. Физика магнитожидкостного сенсора в магнитном поле 41
2.2. Способ управления течением жидкости в вихревой камере посредством магнитожидкостного сенсора 47
2.2.1. Режимные стадии работы и основные зоны течения в вихревой камере 47
2.2.2. Основные уравнения закрученного течения в вихревой камере 52
2.2.3. Исследование коэффициента гидравлического сопротивления вихревой камеры 55
2.2.4. Синтез неоднородного управляющего магнитного поля 63
2.3. Разработка модели перемещения магнитожидкостного сенсора 68
2.4. Расчет статической характеристики магнитожидкостного вихревого элемента 74
2.5. Анализ динамической характеристики магнитожидкостного сенсора 90
Выводы 104
Глава 3. Экспериментальные исследования магнитожидкостного вихревого элемента 106
3.1. Описание стенда для исследования вихревого элемента 106
3.2. Конструкции магнитожидкостных вихревых элементов 108
3.3. Выбор критических режимных параметров элемента при отсутствии управляющего сигнала 112
3.4. Экспериментальные статические и динамические характеристики магнитожидкостного сенсора 117
3.5. Экспериментальные статические и динамические характеристики магнитожидкостного вихревого элемента 122
3.6. Разработка экспериментальной факторной модели 125
Выводы 134
Глава 4. Практическое использование магнитожидкостного вихревого элемента
4.1. Методика инженерного расчета магнитожидкостного вихревого элемента
4.2. Технические характеристики магнитожидкостного вихревого элемента
4.3. Магнитожидкостный вихревой элемент в системе водоорошения тепличных культур
4.4. Магнитожидкостный элемент в системах подачи и приготовления смазочно-охлаждающих жидкостей
4.5. Магнитожидкостный вихревой элемент в системе купажирования ликероводочного производства 150
6. Магнитожидкостный вихревой элемент в отопительных системах 153
7. Магнитожидкостный вихревой элемент в системах управления гидравлическим приводом 157
Выводы 159
Общие выводы 160
Список литературы 162
Приложение 1 172
Приложение 2 177
Приложение 3 180
- Вихревая камера как элемент струйной техники
- Способ управления течением жидкости в вихревой камере посредством магнитожидкостного сенсора
- Конструкции магнитожидкостных вихревых элементов
- Технические характеристики магнитожидкостного вихревого элемента
Введение к работе
Актуальность. Современное развитие автоматизации технологических процессов на базе гидрофицированного оборудования приводит к необходимости разработки более дешевых, надежных электрогидравлических устройств, способных быстро и точно реагировать на управляющие сигналы микропроцессорной техники.
Современный рынок электрогидравлической регулирующей аппаратуры ограничен элементами на базе золотниковых устройств и устройств типа «сопло-заслонка», общий принцип работы которых заключается в последовательном преобразовании электрического сигнала в механический, а лишь затем в гидравлический [1-4]. Механическое звено в целом малонадежно и недолговечно, так как из-за сухого трения и зазоров появляются зоны нечувствительности, инерционность и колебательность, заклинивание в результате деформаций. Использование малых проходных сечений в этих устройствах приводит к засорению каналов, нарастанию слоев поляризованных молекул на поверхностях, образующих щели [5,6].
Новый этап в разработке электрогидравлических регулирующих элементов основан на непосредственном преобразовании электрических сигналов в гидравлические без применения подвижных механических и электромеханических элементов (работы Денисова А.А., Нагорного B.C. и др.) [6]. Подобное преобразование применимо к элементам струйной техники, уступающим по мощности современным электрогидравлическим усилителям с электромеханическими преобразователями, но исключающие недостатки золотников, «сопла-заслонки», более просты в изготовлении и миниатюрны, работают с любыми типами рабочих жидкостей и газов. Они используются для управления малыми расходами, либо в качестве одного из каскада усиления.
В работах Карышева Ю.Д., Лебедева И.В., Меркулова А.П., Орлова Б.В., Смульского И.И. и других ученых, отмечено, что среди струйных элементов вихревая камера с формирующимся внутри закрученным осесимметричным течением обладает наилучшими параметрами с точки зрения реализации электрогидравлического преобразования [7-10]. Конфигурация вихря внутри камеры может быть легко изменена с помощью электронного управления.
Для этих целей в настоящее время используется электрогидродинамический эффект, для реализации которого требуются управляющее напряжение порядка 30 кВ. Необходимость использования высоких напряжений затрудняет сопряжение электрогидравлического вихревого элемента с устройством управления.
В связи с этим актуальным является создание принципиально нового элемента, позволяющего преобразовывать электрический сигнал в гидравлический без перемещающихся с трением подвижных механических и электромеханических элементов, с невысоким по мощности управляющим сигналом. Для расширения области использования электрогидравлического элемента необходимо предусмотреть возможность работы с любыми типами жидкостей и простоту изготовления.
Цель работы: создание и исследование регулирующего элемента на основе вихревой камеры для электрогидравлических систем управления без перемещающихся с трением механических и электромеханических звеньев, обеспечивающего возможность использования любых типов рабочих сред с низким требованием к их чистоте.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи:
1. Рассмотреть физические основы преобразования электрического сигнала в перемещение с использованием магнитной жидкости.
2. Обосновать магнитожидкостный способ управления выходным расходом жидкости вихревой камеры.
3. Осуществить техническое решение синтеза неоднородного управляющего магнитного поля в вихревой камере.
4. Разработать математическую модель магнитожидкостного вихревого элемента.
5. Осуществить экспериментальные исследования магнитожидкостного вихревого элемента.
6. Рассмотреть вопросы практического использования разработанного элемента в электрогидравлических системах управления.
Достоверность и обоснованность полученных результатов определяется корректностью применяемых математических методов и соответствием основных теоретических результатов и выводов экспериментальным данным.
Научная новизна работы:
1. Разработан метод преобразования электрического сигнала в перемещение, отличающийся от известных тем, что, создавая область более сильного магнитного поля, твердые частицы магнитной жидкости втягиваются, в эту область, передавая данное перемещение жидкой основе и упругой эластичной мембране, являющейся одной из сторон закрытой полости, в которой размещена магнитная жидкость.
2. Разработана модель расчета коэффициента гидравлического сопротивления вихревой камеры с установленным внутри цилиндрическим обтекателем на противоположной выходному отверстию торцевой стенке, отличающаяся тем, что на основе известных соотношений для таких гидравлических элементов как вытяжной тройник с углом ответвления я/2, колено, с углом поворота 2% и участка, с истечением из-под экрана учтено их последовательное соединение в камере. Данная модель позволяет исследовать влияние геометрии обтекателя на величину потерь давления рабочей жидкости в устройстве.
3. Разработана методика расчета неоднородного магнитного поля в вихревой камере, являющейся воздушным зазором электромагнитной системы, отличающаяся тем, что последовательно рассчитывается магнитная цепь с целью получения зависимости магнитного потока от силы тока на катушке, далее осуществляется переход от магнитных тел (торцов) к эквивалентным токовым виткам, позволяющий рассчитать изменение напряженности по высоте камеры в зависимости от величины магнитного потока. В результате рассчитывается градиент напряженности по высоте вихревой камеры от силы тока на катушке.
4. На основе экспериментальных исследований магнитожидкостного вихревого элемента выявлены закономерности, позволяющие оценить значения выходного расхода жидкости вихревой камеры от значений входного электрического тока, создающего управляющее магнитное поле с учетом известной ранее степени влияния таких гидравлических параметров, как давление потоков питания и управления.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту
1. При размещении магнитной жидкости в цилиндрическом основании, одна из торцевых стенок которого образована упругой эластичной мембраной, формируется магнитожидкостный сенсор (МЖС). При создании более сильного магнитного поля над мембраной МЖС, последняя перемещается под действием возникающего в магнитной жидкости магнитного давления и тем самым меняется форма сенсора.
2. При расположении магнитожидкостного сенсора на торцевой стенке вихревой камеры напротив выходного отверстия с возможностью изменения формы МЖС осуществляется магнитожидкостный способ изменения геометрии проточной части камеры (следовательно, и выходного расхода) без перемещающихся с трением подвижных механических звеньев.
3. Для формирования в вихревой камере магнитного поля требуемой-кон-фигурации предложены два варианта конструктивного решения: установка управляющей катушки на выходной штуцер элемента напротив магнитожидкостного сенсора, одновременно являющийся полым сердечником и использование магнитной системы в виде корпуса устройства, усиливающей поле катушки. Последний вариант принят за основной.
4. Предложенная математическая модель МВЭ с расчетом перемещения магнитожидкостного сенсора как упругой мембраны, неоднородного магнитно го поля и коэффициента гидравлического сопротивления вихревой камеры позволяет рассчитывать выходной расход устройства в зависимости от значений входных гидравлических и электрических параметров элементов.
5. Проведенные экспериментальные исследования магнитожидкостного сенсора и устройства в целом подтверждают достоверность теоретических исследований.
6. При практическом использовании в электрогидравлических системах управления магнитожидкостный вихревой элемент рассматривается как исполнительное устройство, суммирующее два рабочих потока и изменяющее выходной суммарный расход в зависимости от значения электрического управляющего сигнала.
Практическая значимость и реализация результатов работы:
1. Результаты исследований поведения магнитной жидкости, заключенной в упругую оболочку в неоднородном магнитном поле могут служить основой для изменения геометрии различных проточных частей гидравлических устройств.
2. Разработанный образец магнитожидкостного вихревого элемента позволяет осуществлять дросселирование суммирующихся в вихревой камере двух рабочих потоков любого типа и загрязненности жидкостей с малой мощностью управляющего сигнала (порядка 12 Вт).
3. При наличии управляющего электрического сигнала осуществляется магнитная активация рабочей жидкости в вихревой камере элемента.
Созданный вихревой элемент рекомендован к внедрению в системах капельного полива тепличных культур комбината ОАО «Волга» г.Балаково Саратовской области, в водоканальных и тепловых системах МУП г.Маркса «Мар-ксводоканал» и МУП Балаковского муниципального образования «Городские тепловые электрические сети». Научные и практические результаты работы использованы в плановых госбюджетных научно-исследовательских работах, выполненных на кафедре «Управление и информатика в технических системах» Балаковского института техники, технологии и управления СГТУ в 2002-2007г.г., в НИР по заданию Министерства на проведение научных исследований в Балаковском институте техники, технологии и управления СГТУ в 2007 г., а также по гранту Минпромнауки России №НШ-2064.2003.8.
Апробация результатов исследований. Научные результаты работы докладывались и обсуждались на VII, VIII Международных научных конференциях «Современные проблемы электрофизики и электрогидродинамики жидкостей» (г. Санкт-Петербург, 25-29 июня 2003, 26-28 июня 2006 гг.); VIII, IX Международных научно-практических конференциях «Системный анализ в проектировании и управлении» (г. Санкт-Петербург, 22-24 июня 2004, 30 июня - 8 июля 2005 гг.); VII Международной научно-технической конференции «Динамика технологических систем» (г.Саратов, 4-9 октября 2004 г.); IV Международной молодежной школе-семинаре Будущее Информатики, космического, авиационного и медицинского приборостроения БИКАМП,03 (г. Санкт-Петербург, 23-27 июня 2003); VIII Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» (г. Пенза, 23-24 декабря 2004); VI, VII, VIII, IX Российской конференции «Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах» (г.Саратов, 17-21 ноября 2003, 15-19 ноября 2004, 21-25 ноября 2005, 20-23 ноября 2006).
Публикации. Список научных публикаций по материалам диссертационной работы составляет 27 печатных работ, 2 из которых в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения на 171 страницах, включая 94 рисунка, 18 таблиц, а также списка литературы из 100 наименований и 3 приложений.
В первой главе разработана классификация известных электрогидравлических вихревых элементов, используемых при автоматизации технологических процессов. Показана возможность использования вихревой камеры в качестве проточной части магнитожидкостного вихревого элемента.
Во второй главе отражены физические основы и теоретические исследования магнитожидкостного вихревого элемента. Рассмотрена физика процессов, протекающих в сенсоре, представляющим собой упругую оболочку с магнитной жидкостью внутри, при наложении управляющего неоднородного магнитного поля. Предложен метод расчета коэффициента гидравлического сопротивления вихревой камеры с учетом установленного внутри магнитожидкостного сенсора. Даны аналитические выражения для расчета неоднородного магнитного поля в вихревой камере и перемещения мембраны сенсора под действием этого поля. Разработана статическая модель магнитожидкостного вихревого элемента, позволяющая осуществлять расчет выходного расхода в зависимости от управляющего токового сигнала с учетом конструктивных параметров и входных давлений потоков питания и управления. Проведен анализ динамических свойств магнитожидкостного сенсора.
В третьей главе показана возможность построения конструктивных модификаций магнитожидкостного вихревого элемента, подкрепленная экспериментальными исследованиями как магнитожидкостного сенсора, так и элемента в целом. Разработана экспериментальная факторная квадратичная модель магнитожидкостного вихревого регулирующего элемента. Осуществлено сравнение теоретических и экспериментальных исследований.
В четвертой главе разработана методика инженерного расчета магнитожидкостного вихревого элемента. Предложены примеры использования МВЭ в электрогидравлических системах управления различных областях использования гидрофицированного технологического оборудования.
Автор благодарит к.т.н., доцента Власова Андрея Вячеславовича за консультации и руководство при выполнении настоящей работы.
Вихревая камера как элемент струйной техники
Вихревая камера как элемент струйной автоматики, основанная на закрученном течении рабочей жидкости, находит широкое применение в различных областях техники [7,14,15]. Имея сравнительно малый вес и габариты, она привлекает внимание инженеров и разработчиков на протяжении многих десятилетий. История использования вихревого течения начинается в конце XIX века при использовании циклонно-вихревых устройств в качестве разделителей сыпучих тел, где под действием центробежных сил выделяется твердая или жидкая фаза на стенки камеры [16]. В 20-30 годах XX столетия эффект интенсификации тепло- и массообмена в камерах с закруткой потока стал использоваться в топочной технике. Также при исследовании вихревой камеры был обнаружен вихревой эффект Ранка, когда происходило вихревое энергоразделение потока на два - «горячий» (периферийные слои) и «холодный» (приосевые. слои) [17,18].
В настоящее время вихревая камера в качестве базового элемента электрогидравлической (электропневматической) автоматики используется в следующих устройствах: - вихревое форсуночное устройство и вихревой пневматический распылитель для осуществления процессов диспергирования [18]; - вихревые сепараторы [15]; - вихревые генераторы холода и воздухоохладители, вихревые нагреватели жидкости [17]; - вихревые карбюраторы и многое другое.
Такое широкое применение вихревых камер обусловлено особенностями ее функционирования. Классическая вихревая камера представлена на рис. 1.2 [7].
Она выполнена в виде гладкого полого цилиндра диаметром D (м) и высотой Н (м) с выходным отверстием диаметром dB (м) в центре одной из торцевых крышек. При наличии лишь радиально направленного потока питания (давление рп, Па и расход Qn, м3/с), выходной расход QB равен расходу питания. При подаче тангенциально направленного потока управления (давление ру, Па и расход Qy, м3/с) в камере происходит закрутка суммарного потока, растет гидравлическое сопротивление камеры, уменьшается выходной расход.
Между точками Л2 и У располагается конечный участок, на котором кривая QB = f(Qy) становится уже весьма пологой. Чем меньше Qyi отличается от нуля и чем ближе Qy2 к Qy3, тем выше качество элемента.
При использовании вихревых камер существуют два наиболее важных режима его работы: при постоянном давлении питания (рПн - const) (рис. 1.4а) и при постоянном давлении управления (рун = const) (рис. 1.46). а) при постоянном давлении питания, б) при постоянном давлении управления В зависимости от этих режимов работы управляющими параметрами будут соответственно давление (расход) управления при рПн = const или давление (расход) питания при руН = const. На практике наиболее распространенным режимом работы является режим при постоянном давлении питания (pnH=const), описанный выше [7].
На рис. 1.46 представлена зависимость изменения выходного расхода в функции от давления питания QB=f(pn) при постоянном управляющем давлении [40]. Как видно из графиков, все кривые изменения выходного расхода при постоянных, но различных значениях управляющего давления лежат в области, ограниченной двумя кривыми, отражающими условия максимального (при Qy=0) и минимального (при Qn=0) расходов. Кривая Qn=0 соответствует режиму полного «подавления» питающего расхода элемента. Точка А соответствует величине давления питания роп, при котором питающий расход полностью перекрыт. Условие максимального расхода имеет место при нулевом управляющем расходе (точка В). При работе элемента при постоянном значении pyHj изменение выходного расхода будет происходить вдоль линии ВА и так далее.
Конструктивно вихревые камеры различаются способом подачи входных потоков и конструкцией выходов [7]. Первая из предложенных вихревых камер имела несимметричный радиальный подвод потока питания и тангенциальный (через специальные сопла) поток управления. Недостатком такой организации подачи рабочих потоков в камеру является скачкообразная работа. Это объясняется тем, что при подаче сигнала управления происходит взаимодействие поперечных струй. Более мощная струя питания под действием струи управления отклоняется и происходит скачкообразный перепад давления.
Способ управления течением жидкости в вихревой камере посредством магнитожидкостного сенсора
В вихревой камере, как указано ранее, наблюдается закрученное осе-симметричное течение вязкой сжимаемой жидкости. Анализ теоретических работ, посвященных данному вопросу, позволил выделить следующие особенности [9,10,46].
При слабой степени закрутки скорость потока внутри вихревой камеры имеет радиальную и тангенциальную составляющие и направлена практически радиально к центру вихревой камеры. Характер течения в зависимости от геометрических и режимных параметров камеры может быть как ламинарным, так и турбулентным. Распределения составляющих скорости по радиусу вихревой камеры подчиняются потенциальному закону (vr=const, ur=const), а по толщине камеры они равномерны, за исключением областей, прилегающих к торцовым стенкам. В этом случае течение можно считать одномерным, невязким и несжимаемым.
При умеренных степенях вращения жидкости картина течения усложняется, что связано с перераспределением радиальной составляющей скорости по толщине вихревой камеры. Вращение вызывает центробежную силу, которая противодействует силе, возникающей вследствие радиального градиента давления [9].
В области ядра потока радиальный градиент давления почти полностью компенсирован центробежными силами, в то время как в пограничных слоях при том же градиенте давления центробежные силы меньше. В результате этого неравновесия сил жидкость в пограничных слоях ускоряется, и ее радиальные скорости возрастают до значений, превышающих радиальные скорости в ядре потока. При этом значительная часть потока, проходившая через ядро камеры, выталкивается в пограничные слои.
Профили радиальной и и тангенциальной v составляющих скорости: а—для «умеренных» степеней вращения; б — для «сильных» степеней вращения; 1 —зона «формирования течения»; 2 — зона «сформированного течения» С уменьшением радиуса интенсивность массообмена увеличивается, в результате чего радиальная составляющая скорости и возрастает вблизи торцовых стенок и уменьшается в ядре потока.
По толщине пограничного слоя радиальная составляющая скорости изменяется от скорости невозмущенного потока до максимального значения umax в непосредственной близости от стенки, а затем падает до нуля на торцовой стенке вследствие действия вязких сил. Перераспределение и по радиусу и толщине вихревой камеры влечет за собой появление осевой составляющей скорости со. При этом тангенциальная составляющая скорости еще подчиняется потенциальному закону распределения и практически равномерна по толщине вихревой камеры (рис.2.5aj.
При высоких степенях вращения потока картина течения еще более усложняется (рис.2.56). Начиная с некоторого радиуса гь весь расход переходит в пограничные слои на торцовых стенках, и радиальная составляющая скорости в ядре потока отсутствует. При этом внутри камеры можно выделить две зоны: зона «формирования течения» и зона «сформированного течения». Причем с увеличением числа Л0 увеличивается зона сформированного течения- и при очень больших величинах Л0 она может занимать практически весь объем вихревой камеры.
Таким образом, отсутствие в зоне «сформированного» течения радиальной составляющей скорости, а, следовательно, осевой, говорит о том, что данная область оказывает не существенное влияние на работу вихревого элемента. Данное предположение нашло отражение в авторском свидетельстве, где предложена модификация вихревой камеры [47] (рис.2.6.).
Ввод обтекателя в камеру, как и изменение рекомендуемого диапазона его размеров, можно осуществить при использовании магнитожидкостного сен 52 сора. Для этого необходимо обосновать правильность сформулированного выше предположения, а, следовательно, целесообразность применения сенсора и возможность регулирования им выходных параметров устройства.
Конструкции магнитожидкостных вихревых элементов
Для проведения экспериментальных исследований разработаны различные варианты конструкций магнитожидкостных вихревых элементов. Первый вариант конструкции устройства - магнитожидкостный вихревой элемент с верхним расположением управляющей катушки и полым сердечником (рис.2.13.). Особенностью является исполнение вихревой камеры из органического стекла, а, следовательно, возможность наблюдения происходящих процессов в устройстве на «сухой» камере при отсутствии рабочей жидкости. Такой режим позволяет в наибольшей степени исследовать преобразование электрического сигнала в перемещение магнитожидкостного сенсора.
В результате оптимизации магнитной системы элемента разработана конструкция основного образца (рис.3.3), которая состоит из магнитожидкостного сенсора 3, выполненного из цилиндрического металлического обтекателя, прикрепленного к верхней крышке устройства штуцером и заполненного магнитной жидкостью, контактная сторона которого изолирована от рабочего потока упругой резиновой мембраной. А также вихревой камеры 4, выполненной в корпусе из органического стекла, выходного штуцера 7, являющегося частью магнитопровода вместе с корпусом устройства 5, выполненного из литой стали и катушки 6.
Внешний вид элемента с электромагнитной системой в виде корпуса устройства Потоки питания 2 и управления 1 подаются через верхнюю крышку устройства с помощью штуцеров, изготовленных из латуни для исключения асимметрии магнитного поля внутри камеры. Корпус вихревой камеры, является сменным с возможностью изменения геометрии проточной части.
Вихревая камера выполнена из органического стекла марки ТОСН [59]. Оргстекло этой марки является масло и бензостойким, обладает достаточной механической прочностью. Механические свойства оргстекла изменяются не существенно в условиях многолетнего применения. Оргстекло удовлетворительно переносит пребывание на воздухе в условиях до 97 % влажности. Старение оргстекла составляет 5 лет.
Оболочка сенсора МВЭ выполнена из резины на основе каучука марки СКФ-32, относящегося к фторкаучукам, обладающим высокой стойкостью к тепловому старению и действию растворителей, химически инертны и не горючи [94]. Температура разложения фторкаучуков выше 300 С. В качестве альтернативы рекомендуется резина на основе каучука СКФ-26, на основе бутади-ен-нитрильного каучука СКН-40М, хлорсульфировонного полиэтилена ХСПЭ, хлоропренового каучука. Некоторые свойства резин на основе фторкаучуков приведены в табл.10 [92]. Срок наработки на отказ резиновых изделий в промышленности на основе СКФ-32 составляет 9000 часов [93].
Эксперименты проведены с магнитной жидкостью марки Т-40, С2-40М, изготовленными промышленным способом в СКБ «Полюс» Ивановского энергетического института. Объемная концентрация массы жидкой фазы 16,9 %, намагниченность насыщения 46-103 А/м.
Катушка изготовлена из медной проволоки, обладающей высокой механической прочностью (сопротивление разрыву ав = 230 МПа), стойкостью к коррозии в условиях повышенной влажности [59]. Медная проволока при эксплуатации МВЭ непосредственно с регулируемой средой не контактирует. Срок наработки на отказ катушки составляет 15 лет [93].
Для эффективной работы магнитожидкостного вихревого элемента необходимо осуществить выбор оптимальных режимных параметров при отсутствии управляющего воздействия. На гидродинамические процессы в вихревой камере оказывают влияние три группы факторов: - геометрические параметры камеры, - физические свойства рабочей среды, - кинематические свойства потоков питания и управления [7] . Рекомендации по выбору типа жидкости для эффективного перепада дав ления внутри камеры даны в литературе [2]. При этом она должна обладать воз можно большей величиной плотности и возможно меньшей величиной вязкости.
Технические характеристики магнитожидкостного вихревого элемента
Практическое использование разработанного магнитожидкостного вихревого элемента включает разнообразные области человеческой деятельности, обусловленные широким использованием гидрофицированного технологического оборудования. Как элемент электрогидравлической системы управления МВЭ (согласно размерам табл.9) может быть описан техническими характеристиками, представленными в табл.18.
При изменении геометрии камеры и элемента в целом, а также параметров управляющей катушки, могут быть получены иные характеристики. Далее рассмотрены примеры его использования и сформулированы общие принципы, согласно которым это внедрение в электрогидравлические системы целесообразно.
Рассмотрим использование МВЭ в системе водоорошения тепличных культур, которая предназначена для автоматического полива растений в теплице и создания благоприятного климата для их роста и развития. Проектируемая система рассчитана на тепличные хозяйства, использующие капельный полив площадью 0,1 - 0,5 гектар, где для умеренного климата ежесекундный расход в среднем составляет 50-200 10 6 м3/с. САР также может быть адаптирована для других способов полива (дождевание, грунтовыми водами) для различных территорий. В качестве регулирующего расход устройства применен магнитожид-костный вихревой, использование которого дает следующие преимущества: перемешивание компонентов поливочной воды, состоящей из воды и маточного раствора; омагничивание поливочной воды при наличии магнитного поля в устройстве, что качественно сказывается на рост растений (рис.4.3) [98].
Для управления системой возможно использование специально разработанного микропроцессорного блока управления, изготовленного из комплектующих фирмы Фрактал с возможностью многократного перепрограммирования через персональный компьютер (Приложение 3). МБУ принимает информацию об изменениях в системе с датчика расхода и вырабатывает управляющие сигналы на насос питания (вода, ДВ-Ні) и насос управления (маточный раствор, ДВ-Н2). Также управление может меняться в соответствие с заложенной программой, в зависимости от типа растений, времени года и других климатических показателей. При этом система может изменять как параметры питающей и управляющей магистрали (закрутку в МВЭ), так и тонкое регулирование готовой поливочной воды (выходной расход МВЭ). Представленная САР может быть доработана до системы, регулирующей микроклимат, путем установки дополнительных обратных связей, например, по влажности и температуре в теплице.
Использование смазочно-охлаждающих жидкостей в современном машиностроении — неотъемлемая часть технологических процессов [100]. Так, система подачи СОЖ сверлильного станка должна обеспечивать давление и расход СОЖ, достаточные для удаления стружки из отверстия без вывода самого сверла; конструкция шпинделя станка должна обеспечивать внутренний подвод СОЖ через инструмент. Одновременно требуется высокая степень очистки смазочно-охлаждающих жидкостей от примесей и стружки, поскольку внутренние каналы подвода СОЖ в сверлах имеют достаточно малый диаметр. В качестве СОЖ на специализированных станках для глубокого сверления используется масло для операций глубокого сверления, на универсальных станках — различные виды эмульсий.
На рис.4.4 представлен сверлильный станок с подводимой в теле инструмента смазочно-охлаждающей жидкости для охлаждения сверла и заготовки, смазки трущихся поверхностей и уноса стружки с зоны резания. Двумя насосами СОЖ подается в МВЭ, где происходит активация последней магнитным полем и перемешивание ее компонентов для стабилизации свойств. Далее смазоч-но-охлаждающая жидкость поступает в зону обработки внутри сверла. Отработанная смазочно-охлаждающая жидкость стекает в бак отстойник, где происходит осаждение стружки. Насосом жидкость через фильтр перекачивается в емкость для подачи смазочно-охлаждающей жидкости на станок. В процессе сверления в зависимости от материала заготовки и сверла, глубины и ширины отверстия, а, следовательно, времени обработки изменяется температура инструмента, которая должна находиться в заданном диапазоне.
С целью поддержания требуемой температуры на заготовке и сверле устанавливаются датчики, которые включены в обратную связь САР. Сигнал с датчика температуры ДТ1 поступает в микропроцессорный блок управления МБУ, который их обрабатывает, сравнивает с оптимальной заданной темпера 148 турой и вырабатывает управляющий сигнал на МВЭ через усилитель У2, который увеличивает или уменьшает подачу СОЖ в станок. Возможна дополнительная установка датчика Д2 на заготовку с целью контролирования температуры и изготавливаемого изделия. Блок управления имеет возможность управлять вращением сверла С через усилитель У1, двигатель Д и редуктор Р. В системе также можно предусмотреть управление насосами, питающими вихревой регулирующий элемент, для возможности изменения интенсивности закрутки рабочего потока в вихревой камере.
В результате этого предлагаемая система обеспечивает: - охлаждение режущего инструмента, что в несколько раз увеличивает их срок службы; - унос стружки из зоны резания, что положительно сказывается как на качестве изготовляемой детали, так и на уменьшении полок в процессе сверления; - очистку в фильтре и магнитную активацию СОЖ в магнитожидкостном вихревом элементе, что сказывается на сроке службе смазочно-охлаждающей жидкости; - автоматический контроль за температурой в зоне резания, следствием чего является экономный расход СОЖ; - уменьшении риска получения травмы обслуживающим станок персоналом из-за исключения перегрева инструмента и заготовки, а, следовательно, получение ожогов; технологичного выноса стружки вместе с жидкостью вместо разлетания стружки вокруг зоны резания.
Преимущества предложенной схемы - две стадии перемешивания компонентов смазочно-охлаждающеи жидкости в магнитожидкостном вихревом элементе (эмульсол с водой с целью получения концентрированного состава) и в гидродинамическом излучателе (концентрированного состава и воды); автоматическое дозирование компонентов с учетом обратной связи по концентрации.
Процесс купажа является одним из важнейших в ликероводочном производстве и заключается в получении однородной водно-спиртовой смеси с заданной крепостью - сортировки, а также её" последующей фильтрации (например, с целью удаления нежелательных примесей - альдегидов) и подмешивании к этой смеси дополнительных ингредиентов [101]. Жидкости (питьевая вода и спирт-ректификат, а также вкусовые добавки) равномерно перемешиваются одним из общепринятых способов: в купажных емкостях при помощи механических мешалок или барботирования (т.е. пропускания через ёмкость пузырьков сжатого воздуха); посредством поточных смесителей, действующих по вихревому принципу.
Из анализа возможных решений поставленной задачи разработана обобщенная схема технологической установки купажа ликероводочной продукции (рис.4.8). Конструктивно система выполнена в виде единой технологической линии состоящей из функционально завершённых модулей. Купажный модуль состоит из МВЭ (одного или двух последовательно включенных), производящий точную регулировку расхода продукта и гидравлических магистралей. Каждая из магистралей включает: центробежный нагнетательный насос, предназначенный для создания давления в спиртовой и водной магистралях; частотного преобразователя или инвертора, управляющего производительностью насоса с целью грубого регулирования скорости потока (на схеме не отображен); расходомеры - кориолисов измеритель массового расхода (контролирует собственно - расход, плотность, температуру и выполняет учёт количества) спирта на входе установки и электромагнитный измеритель объёмного расхода воды на входе установки; обратные клапаны, предназначенные для исключения противотока жидкости в системе из-за разности давлений в магистралях (на схеме не отображены).
