Расчет и конструирование электромагнитных преобразователей для активации жидких систем

 

  МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования 
 «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ 
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» 

 
 
 
 
 
 
 
В.А. Данекер 
 
 
 
 
РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ 
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ 
ДЛЯ АКТИВАЦИИ ЖИДКИХ СИСТЕМ 
 
 
 
Рекомендовано в качестве учебно-методического пособия 
Редакционно-издательским советом 
Томского политехнического университета 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Издательство 
Томского политехнического университета 
2018 

 

УДК 621.314.5(075.8) 
ББК  31.264.5я73 
 
Д67 
 
 

Данекер В.А. 
Д67  
Расчет и конструирование электромагнитных преобразователей для активации жидких систем : учебно-методическое пособие / В.А. Данекер ;  Томский политехнический университет. – 
Томск : Изд-во Томского политехнического университета, 2018. – 
102 с. 

ISBN 978-5-4387-0829-2 

 
В пособии приводятся основные сведения о регулируемых свойствах 
жидкостей, методах и устройствах для их регулирования. Рассмотрены основы метода виброструйной магнитной активации жидкостей. На основе математического моделирования приведены рекомендации по расчету и конструированию оригинальных устройств активации жидкостей.
 
Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям 
13.03.02, 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника».
 
УДК 621.314.5(075.8) 
ББК  31.264.5я73 
 
 
 
 
Рецензенты 
Доктор технических наук, профессор  
заведующий кафедрой промышленной электроники ТУСУРа  
С.Г. Михальченко 
 
Кандидат технических наук, доцент  
старший научный сотрудник НИИПМ ТГУ г. Томска, 
С.В. Рикконен 
 
 

ISBN 978-5-4387-0829-2 
© ФГАОУ ВО НИ ТПУ, 2018 
© Данекер В.А., 2018 
© Оформление. Издательство Томского  
    политехнического университета, 2018  
 

ОГЛАВЛЕНИЕ   

Введение .......................................................................................................... 4 

1. ОСНОВНЫЕ РЕГУЛИРУЕМЫЕ СВОЙСТВА  
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ  ЖИДКОСТЕЙ ............................................. 6 

2. ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ВИБРОСТРУЙНОЙ  
МАГНИТНОЙ  АКТИВАЦИИ ЖИДКИХ СИСТЕМ ..................... 10 
2.1. Общие принципы построения конструкций устройств

технологии ВСМА ............................................................................. 10 
2.2. Параметры технологии ВСМА .......................................................... 15 
2.3. Производительность активации ЖС ................................................. 16 
2.4. Разработка конструкций основных элементов устройств ВСМА ...... 18 
2.4.1. Конструкция электромагнита модуля ВСМА ........................... 20 
2.4.2. Конструирование пружинного подвеса модуля ВСМА ........... 25 
2.5. Практические результаты применения технологии   
и оборудования ВСМА ...................................................................... 30 
2.5.1. Приготовление ЖС на оборудовании ВСМА ............................ 34 
2.5.2. Активация ЖС на оборудовании ВСМА ................................... 39 

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ 
УСТРОЙСТВ ВСМА .............................................................................. 44 
3.1. Электрические контуры модуля ВСМА ........................................... 44 
3.2. Механический контур модуля ВСМА .............................................. 50 
3.3. Система дифференциальных уравнений   
математической модели модуля ВСМА .......................................... 52 
3.4. Анализ режимов работы устройства ВСМА .................................... 53 

4. ПРИМЕР РАСЧЕТА И  КОНСТРУИРОВАНИЯ   
УСТРОЙСТВА ВСМА ........................................................................... 58 
4.1. Задание на разработку устройства ВСМА ....................................... 58 
4.2. Порядок разработки ............................................................................ 58 
4.3. Анализ режимов работы модуля ВСМА .......................................... 69 
4.4. Схема электрического подключения устройства ВСМА ............... 75 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ........................................................................................... 77 

СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ ........................................................................ 78 

ПРИЛОЖЕНИЯ .......................................................................................... 81 

 
 

Введение 

В основе многих технологических процессов лежит использование 
жидких систем, которые представляют собой или чистые (истинные) 
жидкости, или, что случается наиболее часто, смеси (растворы) на их 
основе. Особенности реализации таких процессов  заключаются либо в 
организации определенных потоков чистых жидкостей, либо в специальных воздействиях на смеси с целью получения необходимых характеристик. Следует отметить, что в подавляющих случаях необходимо 
вести речь о применении смесей на основе чистых жидкостей. Поэтому 
учитывая, что смесь представляет собой многокомпонентную систему, в 
дальнейшем для описания чистых жидкостей и смесей на их основе будем использовать понятие жидкая система – ЖС [1–3]. 
Одним из важных этапов применения разнообразных ЖС является 
их приготовление. Приготовление ЖС заключается в смешивании чистых жидкостей с дополнительными компонентами, являющимися в одних случаях другими чистыми жидкостями, а в других – твердыми веществами, специально приготовленными для смешивания [4, 5]. Основными задачами, которые необходимо решать  при приготовлении ЖС 
путем смешивания компонентов, являются: 
• получение однородной и стабильной структуры; 
• соблюдение определенных пропорций в компонентном составе; 
• оптимизация времени смешивания; 
• выбор эффективного способа смешивания. 
Другим важным фактором, характеризующим применение ЖС, является оперативное воздействие на уже готовые ЖС с целью корректировки (изменения) их свойств. Задачи, решаемые при корректировке 
свойств ЖС, сводятся к следующему: 
• оценке способности жидкости к изменению свойств; 
• выбору эффективного способа для коррекции свойств; 
• оптимизации времени корректирующих воздействий. 
Еще одним важным фактором некоторых технологических процессов является необходимость перевода стабильных ЖС в неустойчивое 
состояние, сопровождаемое активацией некоторых явлений, таких как 
разделение на составляющие компоненты, перевод ЖС из одного 
устойчивого состояния в другое и т. п. Задачи, решаемые при этом, аналогичны предыдущему случаю.  
Обработку ЖС с целью получения устойчивых смесей, корректировки (изменения) их свойств, перевод в неустойчивое состояние или 

перевод из одного устойчивого состояния в другое в дальнейшем будем 
называть активацией ЖС. 
Для приготовления и активации ЖС используют воздействия различной физической природы: механические, гидравлические, акустические, тепловые, магнитные, электрические [6–17]. Сами упомянутые 
воздействия характеризуются собственными многочисленными параметрами. Отдельным образом следует учитывать химические реакции 
между компонентами ЖС при указанных воздействиях.   
Конструктивные решения практической реализации указанных 
воздействий для различных технологичных процессов достаточно многообразны [4–17]. Для приготовления ЖС наибольшее распространение 
получили механические и гидравлические устройства различных принципов действия. Для активации ЖС эффективными являются устройства, использующие акустические, тепловые, магнитные и механические воздействия.  
Логика развития техники подсказывает, что в случаях реализации в 
устройствах одновременно двух и более указанных воздействий может 
быть получен синергетический эффект, существенно увеличивающий 
производительность технологических операций с применением жидких 
систем. 
В связи с этим разработка устройств, совмещающих в себе несколько различных воздействий на ЖС, является актуальной и своевременной задачей, позволяющей повысить эффективность достаточно 
большого числа технологических процессов. 
Автор выражает благодарность коллективу исполнителей в составе 
С.П. Гузеева,   С.В. Рикконена, А.И. Теплова, А.А. Трубицына, при участии которых было получено большинство конструктивных решений и 
практических результатов применения рассмотренных устройств и технологии ВСМА. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. ОСНОВНЫЕ РЕГУЛИРУЕМЫЕ СВОЙСТВА  
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ  ЖИДКОСТЕЙ    

К основным свойствам ЖС, которые по требованиям технологических процессов с большой степенью вероятности нуждаются в регулировании применением различных физических воздействий, можно отнести: 
• плотность; 
• вязкость; 
• агрегатная устойчивость. 
Существует ограниченное число технологических процессов, требующих в ходе их осуществления (реализации) регулировки плотности 
применяемых ЖС и являющихся чистыми (истинными) жидкостями. 
При этом следует иметь в виду, что для чистых жидкостей данный параметр можно регулировать в весьма ограниченных пределах. К воздействиям, способным изменять плотность чистых жидкостей, можно отнести  тепловое воздействие и воздействие давлением. Существенным при 
этом является тот факт, что указанные воздействия являются высоко 
энергозатратными и поэтому применяются достаточно редко. Вследствие этого технологические процессы с применением чистых жидкостей, как правило, не используют регулировку плотности ЖС.  
Достижение требуемой плотности для ЖС, получаемых смешиванием различных компонентов, является наиболее часто решаемой в 
практике задачей. Плотность таких ЖС зависит от соотношений пропорций и плотностей отдельных компонентов. Воздействиями, используемыми для смешивания, являются достаточно прогнозируемые виды 
воздействий, такие как механические, гидравлические, тепловые.  Характерным при этом является то, что зачастую в устройствах эти воздействия могут совмещаться, усиливая общую эффективность. Плотность многокомпонентных ЖС, получаемых с применением этих 
устройств, может меняться в достаточно широких пределах. 
Очень важным параметром для многих технологий с применением 
ЖС является получение, поддержание или регулирование параметров 
вязкости [11, 12, 15, 17]. Имеется ряд отраслей промышленности, для 
которых проблема регулировки (получения) определенных значений 
вязкости ЖС является чуть ли не определяющей. Яркими примерами 
этого являются нефтегазодобыча, транспортирование нефти и нефтепродуктов, лакокрасочное производство, строительная отрасль и т. п. 
Конструкции устройств для приготовления и обработки ЖС с заданными значениями вязкости реализуют достаточно широкую палитру 

возможных физических воздействий и поэтому представляют собой 
трудно определяемую численность.  
Отличительной особенностью характеристик ЖС, связанных с вязкостью, является то, что в одних случаях рассматриваются ЖС с фиксированными значениями вязкости, а в других – с вязкостью, меняющейся 
под воздействием различных факторов. В первом случае речь идет о так 
называемых ньютоновских ЖС. Вторые ЖС относятся к неньютоновским. Свойства большинства из указанных ЖС иллюстрируются рис. 1.1.  
 

 
Рис. 1.1. Изменение напряжения сдвига τ от скорости сдвига γ  
при течении ньютоновских (1) и неньютоновских (2) ЖС 

Нелинейность зависимости напряжений сдвига τ от скорости сдвига γ для неньютоновских жидкостей 2 обусловливает более высокие абсолютные значения показателей вязкости по сравнению с ньютоновскими 1, что в степени проявляется в области малых скоростей γ. Эффективная вязкость таких жидкостей при малых скоростях во многом 
определяется величиной τд – предельным значением динамического 
напряжения сдвига. Кроме этого, многие неньютоновские  жидкости, в 
том числе сырая нефть, промывочные и цементные растворы, в определенных условиях способны образовывать структуру и терять, вследствие этого, свою текучесть. Переход таких жидкостей из нетекучего в 
текучее состояние происходит при достижении определенных значений 
приложенного внешнего усилия. Одной из существенных причин такого 
поведения неньютоновских жидкостей  является  присутствие в их составе структурообразующих компонентов, находящихся во взвешенном 
состоянии. Так, для сырой нефти в соответствующих условиях это кристаллы парафинов, смолы и асфальтены, для промывочных и цементных 
растворов – дисперсные частички глины или цемента и т. п. 

В нетекучем состоянии силы взаимодействия между этими частицами настолько велики, что может образовываться достаточно прочная 
и жесткая механическая структура.   
Свойства таких ЖС и в текучем состоянии во многом определяются размерами  локальных структурированных образований. Чем выше 
сдвиговые скорости течения жидкости γ, тем, очевидно, вследствие 
уменьшения сил взаимодействия и разрушения структурированных образований, размеры последних становятся меньше, а свойства ЖС ближе к псевдоньютоновским. 
Течение неньютоновских ЖС удовлетворительно описывается 
уравнением  Шведова–Бингамова, учитывающим два параметра: пластическую вязкость μп и динамическое напряжение сдвига τд [15]. 

μэ = μп +
д
, 

где μэ – эффективная вязкость, Па·с; μп – пластическая вязкость, Па·с; 
τд – динамическое напряжение сдвига, Па; γ – скорость сдвига, с–1. 
Динамическое напряжение сдвига τд характеризует прочность механической структуры ЖС в условиях непрерывной деформации. При 
воздействиях на ЖС разными физическими полями существенно изменяется величина динамического напряжения сдвига и в меньшей степени пластическая вязкость. В идеальном случае оказываемые на ЖС воздействия могут привести к тому, что неньютоновские ЖС могут в пределе приобрести свойства ньютоновских ЖС.   
Важным фактором поведения ЖС после воздействий является длительность сохранения ими приобретенных свойств. Свойства большинства неньютоновских жидкостей после активирующих воздействий 
имеют тенденцию к восстановлению если не до первоначальных значений, то до близких к ним. Это явление называется тиксотропией. Время 
восстановления свойств таких ЖС может составлять от нескольких секунд до нескольких суток. Примечательным является то, что для многих 
технологических процессов указанная способность восстановления 
начальных свойств во времени может найти эффективное применение. 
Примерами такого тиксотропного поведения ЖС являются парафино- и 
асфальтосмолосодержащие нефти, буровые растворы, полимерные растворы.      
Агрегатная устойчивость ЖС также является важным параметром, 
определяющим качество и эффективность некоторых технологических 
процессов. Основными параметрами, определяющими агрегатную 
устойчивость ЖС, являются размеры частиц дисперсной фазы и растворимость одних жидкостей в других. Растворимость жидкостей одной в 
другой при их несовместимости может  быть обеспечена применением 

дополнительных химических реагентов, однако при этом могут быть 
потеряны изначально необходимые и присущие смешиваемым жидкостям свойства.  
Получение необходимых размеров частиц дисперсной фазы является наиболее часто встречающейся практической задачей приготовления ЖС [17]. Основным видом воздействия, обеспечивающим получение требуемых размеров частиц дисперсной фазы, является механическое в различных вариациях. При этом следует иметь в виду, что дополнительным проблемным фактором приготовления является способность 
частиц дисперсной фазы слипаться (скручиваться) и образовывать более 
крупные агрегаты, которые склонны к интенсивному осаждению (разделению ЖС на составляющие компоненты). Воздействиями, являющимися эффективными для решения указанной проблемы, являются 
акустические, вибрационные, гидравлические. Магнитные и электрические воздействия могут интенсифицировать процесс распускания 
укрупненных агрегатов до размеров единичных элементарных частиц. 
Таким образом, следует отметить, что параметры основных свойств 
ЖС могут регулироваться практически всей палитрой упомянутых выше физических воздействий, а их совместное применение, как правило, 
сопровождается существенным повышением эффективности технологического применения ЖС. Важным выводом, который следует из этого, 
является то, что своевременным и актуальным является разработка универсальных технологий и оборудования, использующих в принципе 
своей работы как можно больше воздействующих факторов. Такие технические решения позволят значительно повысить эффективность технологических процессов, основу которых составляет применение ЖС с 
регулируемыми свойствами.   
 
 
 

2. ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ВИБРОСТРУЙНОЙ  
МАГНИТНОЙ  АКТИВАЦИИ ЖИДКИХ СИСТЕМ 

2.1. Общие принципы построения конструкций устройств 
технологии ВСМА 

В основе технологии и оборудования виброструйной магнитной активации лежит применение электромагнитных преобразователей (ЭМП) 
колебательного типа, работающих в резонансном режиме, характеризующимся минимально низким энергопотреблением [17]. Использование 
в данном техническом решении для обработки ЖС колебательного движения рабочего органа имеет существенные преимущества, заключающиеся в возможности получении максимальных амплитуд колебаний 
рабочего органа в режиме резонанса. Основными конструктивными  
элементами ЭМП являются электромагнитный привод, электрическая 
часть которого размещена в герметичном корпусе, рабочий орган 
устройства ВСМА, упругий подвес рабочего органа. Наличие некоторых других элементов обусловлено необходимостью крепления ЭМП в 
общей конструкции технологического оборудования. Вся конструкция 
устройства ВСМА должна быть погружена в среду ЖС. Рабочий орган 
электромагнитного привода должен совершать колебательные движения 
непосредственно в среде ЖС. На рис. 2.1 представлен основополагающий принцип построения конструкций устройств ВСМА. Как было указано выше, устройство ВСМА содержит электромагнитный привод на 
основе тягового электромагнита, формирующего пульсирующую возмущающую силу, действующую между сердечником тягового электромагнита и якорем, роль которого выполняет рабочий орган устройства 
ВСМА. Учитывая агрессивные свойства и электропроводность большинства ЖС, электрическая часть электромагнитного привода должна 
быть изолирована от среды ЖС. Как правило, это достигается тем, что 
электрические части тягового электромагнита помещаются в герметичном металлическом корпусе. Подбором соответствующих численных 
значений массы рабочего органа и жесткости упругого подвеса можно 
обеспечить работу устройства ВСМА на определенной резонансной частоте. При формировании возмущающей силы, изменяющейся с частотой, равной резонансной частоте колебательной системы ЭМП, обеспечивается максимальная амплитуда колебаний рабочего органа устройства ВСМА. При колебаниях рабочего органа в среде ЖС формируется 
затопленная струя. Затопленная струя обеспечивает постоянную циркуляцию ЖС во всем объеме. Таким образом, весь объем ЖС многократно 

проходит через пространство, определяемое размерами рабочего органа 
устройства ВСМА.     
Амплитуда и, соответственно, скорость колебаний рабочего органа 
при работе устройств ВСМА, как следует из рис. 2.2, имеет явные признаки резонансного режима работы. Резонансная частота колебаний активатора зависит от вязких потерь при колебаниях рабочего органа в 
окружающей среде. Причем чем выше потери на вязкое трение, тем ниже 
резонансная частота колебаний. На рис. 2.2 η обозначает коэффициент 
вязкости ЖС. Параметры η1, η2, fр1, fр2 соответствуют значениям вязкости 
и резонансных частот соответственно для двух различных ЖС. Значения 
fв и f0 соответствуют резонансным режимам работы устройств ВСМА на 
воздухе и на абсолютной собственной частоте колебательной системы. 
Учитывая малость вязких потерь работы колебательной системы на воздухе, разность в значениях fв и f0 достаточно не велика. Поэтому при рассмотрении многих практических задач можно принять fв = f0.    
 

 
Рис. 2.1. Общий принцип построения устройств ВСМА 

Типичные амплитудно-частотные характеристики устройств ВСМА 
резонансного типа приведены на рис. 2.2.   
Рабочий орган устройства ВСМА в поперечном сечении, перпендикулярном его движению, может быть выполнен круглой или прямоугольной формы. В теле рабочего органа выполнятся отверстие опреде