電磁驅動磨料漿體增壓裝置的介質研究

胡雅琳，王紅艷，劉 超，李雪蓮，胡崇舉

宿州學院化學化工學院，宿州，234000

磨料射流技術是將一定數(shù)量、質量和硬度的磨料顆?；烊氲礁咚龠\動的純水射流中，形成液固兩相流?，F(xiàn)有磨料射流技術均需利用高壓水泵或增壓器向系統(tǒng)提供所需要的壓力水源。因常用磨料硬度較高，基于增壓設備密封性和穩(wěn)定性的要求，無法對磨料直接增壓。一般先對純水進行增壓，磨料與高壓水充分混合后形成磨料射流。整個過程導致能量浪費并無法實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定作業(yè)［1-3］，限制磨料射流技術發(fā)展?；谝陨显?，本文擬探究摒棄傳統(tǒng)的增壓設備，利用正交電、磁場對由電解質與磨料混合而成的磨料介質進行增壓，進而實現(xiàn)磨料射流的連續(xù)作業(yè)。通過正交電、磁場增壓實驗裝置，考察不同電壓，不同濃度磨料介質對正交電、磁場增壓的可行性，并在此基礎上設計正交實驗，測試磨料漿體的物理特性及其對電磁增壓效果的影響，為深入研究磨料漿體電磁增壓效果提供實驗依據(jù)［4，5］。

1 實驗原理

電磁驅動導電流體介質增壓的基本原理是：在一對平行電極板形成的電場及與之正交的磁場中，電解質溶液中的陰、陽離子沿著電場方向加速運動，同時受到洛倫茲力的作用，該力宏觀上可視為作用在電解質溶液上的安培力。溶液受到安培力的作用在流道內流動，通過噴嘴后實現(xiàn)增壓效果［6-8］。本實驗選取NaCl配制電解質溶液，設計正交實驗，加入不同配比的鈉基膨潤土與硬質磨料，充分混合后，制作可導電的磨料漿體介質。該磨料漿體介質由儲液箱流入，具有正交電、磁場的實驗增壓流道，經(jīng)正交電、磁場作用后由噴嘴射出。實驗裝置中電場強弱由調節(jié)電路中可變電阻控制，實時記錄阻值變化對磨料漿體介質增壓效果的影響。增壓效果具體表現(xiàn)為通電前后實驗裝置末端透明膠管內液柱的高度差（液位差）。

2 實驗方法

2.1 磨料漿體介質及其物理性質檢測

配制不同質量配比的磨料漿體介質，并比較磨料漿體介質加入不同濃度電解質溶液后，其物理性質（主要指分散性、懸浮性）的變化，以考察磨料漿體介質用于后續(xù)增壓效果實驗的可行性。

2.1.1 試劑與儀器

電子天平（FA-1104型，上海越平科學儀器有限公司）；電動攪拌器（40 W，金壇大地儀器有限公司）。磨料（80目石榴石）；氯化鈉（500 g，分析純）；鈉基膨潤土（蒙脫石≥60%～88%，pH8.9～10）。

2.1.2 實驗步驟

配制不同配比的磨料漿體介質：鈉基膨潤土以質量配比1∶12、1∶16、1∶20，石榴石以60、80、100 g·L-1，加入到10%、18%和26%的 NaCl溶液中，配制成不同配比的磨料漿體介質。

將配制好的磨料漿體介質，充分混勻后，室溫靜置20 min，觀察磨料漿體介質的沉積高度及漿體的透明度，以此表征其介質分散性和懸浮性。

2.2 磨料漿體介質對裝置增壓效果的影響實驗

電磁驅動壓力發(fā)生裝置由本實驗室自行設計。通過改變實驗電壓大小和電解質溶液濃度，設計正交實驗，考察電壓和電解質濃度對增壓效果的影響。

通過選用永磁體作為磁極搭建增壓過流通道實驗平臺，改變電壓大小。電壓分別設置為6 V、30 V、72 V，電解質濃度設置為10%、18%和26%。觀察裝置增壓效果和溶液電解情況，選擇適宜的電壓和電解質濃度用于測試磨料漿體介質的增壓效果。

在以上步驟獲得的適宜電壓和電解質濃度的條件下，添加不同配比的磨料漿體介質（見2.1.2），測試其增壓效果。

裝置其他參數(shù)選擇如下：本次實驗選用磁場強度為0.7 T，磁極材料選用鐵氧體永磁體（釹鐵硼永磁體）；增壓過流通道形狀選擇長方體形；增壓流體通道長度為500 mm；電極供電電壓選擇DC1VDC100V。

3 結果與討論

3.1 磨料漿體介質物性實驗結果

常溫條件下，相同時間內，不同磨料漿體介質的沉積高度和漿體的透明度可表征其介質的分散性和懸浮性。測量得到的高度越小，介質透明度相對越低，說明介質沉積速度慢，表明其分散性和懸浮性好，反之，則表明其分散性差，介質團聚嚴重，懸浮效果差。

觀察漿體配制過程及實驗結果得知，在相同的實驗條件下，加入不同濃度的電解質對不同配比的磨料漿體的分散性和懸浮性影響不大，且其分散性和懸浮性均較好，可用于后續(xù)通電實驗。

3.2 增壓效果實驗

3.2.1 電壓和電解質濃度對增壓效果的影響

裝置的增壓效果表現(xiàn)為通電前后實驗裝置的液柱高度差（液位差），而實驗電壓大小和電解質濃度都是影響裝置增壓效果的重要因素。由表1可知，液位差較高的是實驗電壓為72 V時，以及電壓為30 V電解質濃度為26%時，但此時電解質電解程度嚴重，對實驗現(xiàn)象干擾大。因此，后續(xù)選用實驗電壓為30 V，電解質濃度為18%。

3.2.2 磨料漿體介質對裝置增壓效果的影響

磨料漿體介質對裝置增壓效果見表2。

由表2可知，液位差即增壓效果最好的是：磨料濃度為60 g·L-1，電解質濃度為18%，鈉基膨潤土質量配比為1∶16。實驗發(fā)現(xiàn)，一定磨料濃度條件下，鈉基膨潤土質量配比越大，液位差越大，并呈遞增趨勢但增幅逐漸減小。分析產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是伴隨鈉基膨潤土質量配比的增大，漿體介質的黏度增大，從而流通管道沿程阻力變大，影響實驗增壓效果。由此反映了漿體介質增壓效果與添加劑質量配比具有直接關系，且得到質量配比對增壓效果的影響規(guī)律。

表1 電壓和電解質濃度對增壓效果的影響

表2 增壓效果影響實驗

實驗通過觀察裝置出口管道內液柱在實驗前后是否出現(xiàn)液位差，來衡量驅動壓力發(fā)生效果。為將實驗效果放大，避免液體自重對實驗觀察結果的干擾，出口管道傾斜至45°。該實驗裝置對密封性要求較高，實驗過程中裝置產(chǎn)生熱量可能導致密封部件失效，發(fā)生部分介質泄漏現(xiàn)象，對結果產(chǎn)生一定干擾，故允許誤差控制在2%左右。

4 結語

本研究選用磨料漿體介質對裝置增壓。當電壓為30 V，電解質濃度為18% ，磨料濃度為60 g·L-1，鈉基膨潤土質量配比為1∶16時，液位高度差最大，即此時增壓效果最好，表明電磁驅動磨料漿體介質實現(xiàn)增壓具有可行性。由于整個通電實驗過程中存在電解反應，產(chǎn)生的氣泡對液位差的形成造成干擾，需在后續(xù)實驗中，進一步研究電流密度和電極材料等因素對電解反應和氣泡產(chǎn)生的影響。