电磁驱动磨料浆体增压装置的介质研究

胡雅琳，王红艳，刘 超，李雪莲，胡崇举

宿州学院化学化工学院，宿州，234000

磨料射流技术是将一定数量、质量和硬度的磨料颗粒混入到高速运动的纯水射流中，形成液固两相流。现有磨料射流技术均需利用高压水泵或增压器向系统提供所需要的压力水源。因常用磨料硬度较高，基于增压设备密封性和稳定性的要求，无法对磨料直接增压。一般先对纯水进行增压，磨料与高压水充分混合后形成磨料射流。整个过程导致能量浪费并无法实现连续稳定作业［1-3］，限制磨料射流技术发展。基于以上原因，本文拟探究摒弃传统的增压设备，利用正交电、磁场对由电解质与磨料混合而成的磨料介质进行增压，进而实现磨料射流的连续作业。通过正交电、磁场增压实验装置，考察不同电压，不同浓度磨料介质对正交电、磁场增压的可行性，并在此基础上设计正交实验，测试磨料浆体的物理特性及其对电磁增压效果的影响，为深入研究磨料浆体电磁增压效果提供实验依据［4，5］。

1 实验原理

电磁驱动导电流体介质增压的基本原理是：在一对平行电极板形成的电场及与之正交的磁场中，电解质溶液中的阴、阳离子沿着电场方向加速运动，同时受到洛伦兹力的作用，该力宏观上可视为作用在电解质溶液上的安培力。溶液受到安培力的作用在流道内流动，通过喷嘴后实现增压效果［6-8］。本实验选取NaCl配制电解质溶液，设计正交实验，加入不同配比的钠基膨润土与硬质磨料，充分混合后，制作可导电的磨料浆体介质。该磨料浆体介质由储液箱流入，具有正交电、磁场的实验增压流道，经正交电、磁场作用后由喷嘴射出。实验装置中电场强弱由调节电路中可变电阻控制，实时记录阻值变化对磨料浆体介质增压效果的影响。增压效果具体表现为通电前后实验装置末端透明胶管内液柱的高度差（液位差）。

2 实验方法

2.1 磨料浆体介质及其物理性质检测

配制不同质量配比的磨料浆体介质，并比较磨料浆体介质加入不同浓度电解质溶液后，其物理性质（主要指分散性、悬浮性）的变化，以考察磨料浆体介质用于后续增压效果实验的可行性。

2.1.1 试剂与仪器

电子天平（FA-1104型，上海越平科学仪器有限公司）；电动搅拌器（40 W，金坛大地仪器有限公司）。磨料（80目石榴石）；氯化钠（500 g，分析纯）；钠基膨润土（蒙脱石≥60%～88%，pH8.9～10）。

2.1.2 实验步骤

配制不同配比的磨料浆体介质：钠基膨润土以质量配比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浆体介质。

将配制好的磨料浆体介质，充分混匀后，室温静置20 min，观察磨料浆体介质的沉积高度及浆体的透明度，以此表征其介质分散性和悬浮性。

2.2 磨料浆体介质对装置增压效果的影响实验

电磁驱动压力发生装置由本实验室自行设计。通过改变实验电压大小和电解质溶液浓度，设计正交实验，考察电压和电解质浓度对增压效果的影响。

通过选用永磁体作为磁极搭建增压过流通道实验平台，改变电压大小。电压分别设置为6 V、30 V、72 V，电解质浓度设置为10%、18%和26%。观察装置增压效果和溶液电解情况，选择适宜的电压和电解质浓度用于测试磨料浆体介质的增压效果。

在以上步骤获得的适宜电压和电解质浓度的条件下，添加不同配比的磨料浆体介质（见2.1.2），测试其增压效果。

装置其他参数选择如下：本次实验选用磁场强度为0.7 T，磁极材料选用铁氧体永磁体（钕铁硼永磁体）；增压过流通道形状选择长方体形；增压流体通道长度为500 mm；电极供电电压选择DC1VDC100V。

3 结果与讨论

3.1 磨料浆体介质物性实验结果

常温条件下，相同时间内，不同磨料浆体介质的沉积高度和浆体的透明度可表征其介质的分散性和悬浮性。测量得到的高度越小，介质透明度相对越低，说明介质沉积速度慢，表明其分散性和悬浮性好，反之，则表明其分散性差，介质团聚严重，悬浮效果差。

观察浆体配制过程及实验结果得知，在相同的实验条件下，加入不同浓度的电解质对不同配比的磨料浆体的分散性和悬浮性影响不大，且其分散性和悬浮性均较好，可用于后续通电实验。

3.2 增压效果实验

3.2.1 电压和电解质浓度对增压效果的影响

装置的增压效果表现为通电前后实验装置的液柱高度差（液位差），而实验电压大小和电解质浓度都是影响装置增压效果的重要因素。由表1可知，液位差较高的是实验电压为72 V时，以及电压为30 V电解质浓度为26%时，但此时电解质电解程度严重，对实验现象干扰大。因此，后续选用实验电压为30 V，电解质浓度为18%。

3.2.2 磨料浆体介质对装置增压效果的影响

磨料浆体介质对装置增压效果见表2。

由表2可知，液位差即增压效果最好的是：磨料浓度为60 g·L-1，电解质浓度为18%，钠基膨润土质量配比为1∶16。实验发现，一定磨料浓度条件下，钠基膨润土质量配比越大，液位差越大，并呈递增趋势但增幅逐渐减小。分析产生这一现象的原因是伴随钠基膨润土质量配比的增大，浆体介质的黏度增大，从而流通管道沿程阻力变大，影响实验增压效果。由此反映了浆体介质增压效果与添加剂质量配比具有直接关系，且得到质量配比对增压效果的影响规律。

表1 电压和电解质浓度对增压效果的影响

表2 增压效果影响实验

实验通过观察装置出口管道内液柱在实验前后是否出现液位差，来衡量驱动压力发生效果。为将实验效果放大，避免液体自重对实验观察结果的干扰，出口管道倾斜至45°。该实验装置对密封性要求较高，实验过程中装置产生热量可能导致密封部件失效，发生部分介质泄漏现象，对结果产生一定干扰，故允许误差控制在2%左右。

4 结语

本研究选用磨料浆体介质对装置增压。当电压为30 V，电解质浓度为18% ，磨料浓度为60 g·L-1，钠基膨润土质量配比为1∶16时，液位高度差最大，即此时增压效果最好，表明电磁驱动磨料浆体介质实现增压具有可行性。由于整个通电实验过程中存在电解反应，产生的气泡对液位差的形成造成干扰，需在后续实验中，进一步研究电流密度和电极材料等因素对电解反应和气泡产生的影响。