CN114285243A - 一种磁力式水力空化纳米分散装置 - Google Patents
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Abstract
一种磁力式水力空化纳米分散装置，包括定子铁芯、转子铁芯、管道和磁体，定子为密封筒体，定子铁芯内部分布有绕线组，转子铁芯固定在管道上，管道内部设置有磁体。纳米悬浮液通过水泵进入管道中，绕线组产生交变磁场，带动磁体运动，高速剪切流体，使流体局部静压力低于饱和蒸汽压，诱发水力空化现象，实现对纳米润滑剂的分散，从而得到性能良好的纳米分散溶液，处理后的悬浮液经管道另一端流出。该装置结构简单、适应性强、操作方便、安全可靠且便于维修；可根据实际情况根据通过程序对交变磁场进行设定，使整个过程变得可控，达到了更好的处理效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于纳米润滑剂分散装置，该装置采用新型磁力空化技术，属于纳米材料制备领域。
背景技术
近年来，纳米粒子作为润滑剂添加剂的应用引起了摩擦学专家和润滑剂开发者的关注。大量研究表明，在基础油中添加纳米颗粒可以提高其摩擦学性能。纳米润滑剂是一种胶体体系，其中纳米颗粒分散在基液中，如矿物油、液体石蜡和植物油。纳米粒子尺寸超小便于进入界面，及其表现出的优良物理和化学性质，引起了润滑剂开发者的强烈兴趣。
为降低彼此间的表面能，纳米粒子往往通过相互聚集而达到稳定状态。纳米粒子团聚过程不利于化工生产和化学反应，而纳米颗粒分散体系是非平衡体系，不能自发形成。因此通常需要机械装置或化学势的能量输入。将纳米颗粒团聚体分散为小颗粒过程中吸收的大量能量可以增加颗粒表面的自由能。目前通常使用高剪切搅拌的方式分散纳米颗粒团聚体，如高压均质机和超声波发生器等，但这些方法制备得到的纳米颗粒分散液分散效果不好，纳米颗粒仍容易团聚。
空化现象是指当压力降至低于饱和蒸汽压时，溶解在流体中的气体得到释放，同时流体汽化而产生大量气泡。空化泡在随流体进一步流动的过程中，周围压力增大，气泡发生溃灭，并以热和冲击波的形式释放出巨大能量，所产生的能量可以将水分子分解成·H和·OH。空化效应可以是由机械效应的流体中的压力波动引起，也可以通过超声波在液体介质中产生。
纳米润滑剂在工业中的实际应用需要一种耗时短、成本低的配方方法。纳米润滑剂的性质取决于许多因素，如与基液的相容性、颗粒尺寸、形态、浓度、分散稳定性和摩擦副的表面特性。分散稳定性差可能导致纳米粒子聚集，导致润滑能力降低。纳米粒子分散常用的技术有两种：机械搅拌和超声波搅拌。基于超声波搅拌的分散技术只适合小批量生产，无法满足大批量生产需求。因此需要一种能够大批量生产纳米润滑剂的方法。
发明内容
本发明针对现有纳米材料分散技术存在的不足，提出一种分散效率高、效果好的磁力式水力空化纳米分散装置。
本发明的磁力式水力空化纳米分散装置采用以下技术方案：
所述装置，包括定子铁芯、转子铁芯、管道和磁体，定子为密封筒体，定子铁芯内部分布有绕线组，转子铁芯固定在管道上，管道内部设置有磁体。
所述定子铁芯的内径为100～150mm，定子的宽度为150～300mm。
所述绕线组按交流异步电机中定子绕组的方式布置安装在定子铁芯内。
所述管道内径为45～65mm。所述管道内部液体流量为0.1～0.3m3/h。
所述磁体为棱形或椭圆形，以求对工质产生强烈的剪切作用，强化空化效应的产生。
所述磁体体积为50～80mm3，数量为15～40个。
为保证空化现象的形成并高效地实现纳米润滑剂分散工艺，上述结构与工艺参数均由实际纳米润滑剂生产实验所得。
本发明的上述装置通过在管道外设置交流感应电机结构(具体形式为安装定子铁芯及转子铁芯)，通过对定子铁芯上的绕线组通电，在定转子间建立气隙基波磁场，并与转子铁芯的电流形成相互作用产生电磁力从而形成电磁转矩，定子、转子基波磁动势合成并在气隙内建立旋转磁场，管道内部的磁体可在旋转交变磁场的作用下发生周期性移动，通过该运动产生高效剪切空化，以对纳米溶液实现分散功能，从而得到性能良好的纳米分散溶液。所述磁体运动可通过改变定转子通过电流的方式实现程序化控制。
利用上述装置对纳米润滑剂分散处理的系统，还包括水槽、水泵和冷却器，水槽通过水泵与管道一端连接，管道的另一端通过冷却器连接至水槽。水槽中的纳米悬浮液通过水泵进入管道中，绕线组产生交变磁场，带动磁体运动，高速剪切流体，使流体局部静压力低于饱和蒸汽压，诱发水力空化现象，处理后的悬浮液经管道另一端流出，经冷却器冷却后再进入水槽中进行循环处理，直至获得满意的分散结果。通过流量计控制进入水槽中的循环量。
由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明所述装置采用磁力式水力空化技术，创造地通过交变磁场的作用，带动管道中的磁体剪切流体，形成剥落尾流以及负压区，从而引发空化效应，高效生成空化气泡，当静压力恢复时，空化气泡溃灭并释放出巨大的能量。该能量表现为最高可达5000K的局部热点，1000bar的高压，伴随着威力巨大的冲击波和高速微射流(150m/s)，产生巨大的能量效应，打破原料中纳米颗粒之间的团聚，增加原料中纳米材料的比表面积和表面能，从而使纳米材料稳定地分散在溶剂中，促进悬浮液生成，进而得到分散性能良好的纳米颗粒分散液。
2.本发明所述的交变磁场可根据实际情况通过程序进行设定，使整个过程变得可控，以达到更好的处理效果。
3.本发明采用磁场作为驱动力，强烈移动的磁体在管路中与纳米材料发生碰撞，起到破碎搅拌的作用，从而破坏团聚相，使其进一步分散在溶液中。
4.本发明所述装置可放大性强，可根据处理需求改变装置的尺寸，以满足更大量的纳米润滑剂分散处理需求；
5.本发明所述装置为一体化设备大大简化了整个工艺流程；
6.本发明所述装置结构简单、适应性强、操作方便、安全可靠且便于维修；
7.本发明所述装置的结构与工艺参数均由实际工艺处理实验所得；
8.本发明所述装置处理的物质不局限于纳米润滑剂，对其他类型的纳米颗粒悬浮液也预计拥有良好的处理效果。
附图说明
图1本发明磁力式水力空化纳米分散装置的结构示意图；
图2是本发明磁力式水力空化纳米分散装置的截面示意图；
图3是利用本发明装置生产纳米润滑剂的工艺流程图。
图中：1.定子铁芯，2.绕线组，3.转子铁芯，4.管道，5.磁体；6.水槽，7.水泵，8.本发明装置，9.冷却器，10.流量计。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明的磁力式水力空化纳米分散装置，包括由外至内依次设置的定子铁芯1、转子铁芯3和管道4。定子铁芯1为密封筒体，套装在转子铁芯3的外侧，定子铁芯1的内部(内壁与外壁之间的主体上)带有绕线槽，绕线槽内设置分布式绕线组2，绕线组2按交流异步电动机的绕组布置方式安装在定子铁芯1的绕线槽内。转子铁芯3分布并固定在管道4上，转子铁芯3采用交流异步电动机中转子铁芯的结构(为现有技术，其内设置永磁体)。管道4内部设置有磁体5，磁体5可在管道4内自由运动。
本发明装置通过在管道4外设置类似交流感应电机的结构，具体形式为安装定子铁芯1和转子铁芯3)通过对定子铁芯1上的绕线组2通电，在定转子间建立气隙基波磁场，并与转子铁芯3所通电流形成相互作用产生电磁力从而形成电磁转矩，定转子基波磁动势合成并在气隙内建立旋转磁场，该旋转磁场带动管道4内部的磁体5进行周期性移动。
上述所述磁体5运动可通过改变定转子通过电流的方式实现程序化控制。
定子铁芯1的内径为100～150mm，定子的宽度为150～300mm。管道4内径为45～65mm，内部液体流量为0.1～0.3m3/h。磁体5为棱形或椭圆形的铁磁元素体，达到对工质产生强烈的剪切作用，诱发空化效应的产生。磁体5的体积为50～80mm3，数量为15～40个。
为保证空化现象的形成并高效地实现纳米润滑剂分散工艺，上述结构与工艺参数均由实际纳米润滑剂生产实验所得。
绕线组2通电后，产生交变磁场，管道4内形成区域磁场，管道4内部的磁体5可在程序设计的交变磁场的作用下发生周期性移动(管道4不转动)，通过磁体5的运动产生高效剪切空化作用，实现对纳米润滑剂的分散，从而得到性能良好的纳米分散溶液。
利用本发明上述装置对纳米润滑剂分散处理的过程，如图3所示，所用设施包括水槽6、水泵7、本发明装置8和冷却器9，水槽6通过水泵7与本发明装置8的管道4一端连接，管道4的另一端通过流量计10和冷却器9连接至水槽6。具体分散过程如下所述。
水槽6中的纳米悬浮液通过水泵7本发明装置8的管道4进入中，在程序控制下磁场元件(绕线组2)产生既定交变磁场，带动磁体5运动，高速剪切流体，使流体局部静压力低于饱和蒸汽压，诱发水力空化现象。空化现象产生的巨大能量效应，破除原料中纳米颗粒之间的团聚，使原料中纳米材料比表面积和表面能增大，从而使纳米材料均匀分散在溶剂中，更好地达到纳米材料分散良好的目的。处理后的悬浮液经管道4另一端流出，经冷却器9冷却后再进入水槽6中进行循环处理，直至获得满意的分散结果。由流量计10控制进入水槽6中的循环量。
本发明通过对浓度为0.5％的二氧化硅纳米颗粒悬浮液进行实验处理(悬浮液溶剂为植物油)，在最优工况下与该结构下(参数：定子的内径100mm，宽度为200mm，循环回路流量为0.1m3/h，磁体为棱形结构，体积为80mm3，个数为40个)获得如下结论：
在采用本发明装置的磁力式空化技术的情况下，纳米材料平均粒度在60分钟内降低了78％，通过这一过程，形成了具有细小纳米颗粒(139～1240nm)的纳米润滑剂。
Claims (7)
1.一种磁力式水力空化纳米分散装置，其特征是：包括定子铁芯、转子铁芯、管道和磁体，定子为密封筒体，定子铁芯内部分布有绕线组，转子铁芯固定在管道上，管道内部设置有磁体。
2.根据权利要求1所述的磁力式水力空化纳米分散装置，其特征是：所述定子铁芯的内径为100～150mm，定子的宽度为150～300mm。
3.根据权利要求1所述的磁力式水力空化纳米分散装置，其特征是：所述管道内径为45～65mm。
4.根据权利要求1所述的磁力式水力空化纳米分散装置，其特征是：所述管道内部流量为0.1～0.3m3/h。
5.根据权利要求1所述的磁力式水力空化纳米分散装置，其特征是：所述磁体为棱形或椭圆形。
6.根据权利要求1所述的磁力式水力空化纳米分散装置，其特征是：所述磁体体积为50～80mm3，数量为15～40个。
7.一种纳米润滑剂分散处理的系统，包括权利要求1-6任一项所述的磁力式水力空化纳米分散装置，其特征是：还包括水槽、水泵和冷却器，水槽通过水泵与磁力式水力空化纳米分散装置中所述管道一端连接，管道的另一端通过冷却器连接至水槽。
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