مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

مدل‌سازی سه‌بعدی اثرات هندسه و آرایش ماتریس میله‌ها بر جذب میکروذرات در فیلترهای مغناطیسی گرادیان بالا

نوع مقاله : پژوهشی کیفی

نویسندگان
گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه رازی، کرمانشاه، ایران
چکیده
در این مقاله یک مدل سه‌بعدی برای بررسی عملکرد فیلترهای مغناطیسی ارائه شده است. این فیلتر متشکل از ماتریسی از میله‌های آهنی است که درون کانالی با سطح مقطع مربعی چیده شده‌اند و در معرض یک میدان مغناطیسی خارجی هستند. سیال جاری درون کانال محلول آمین است که حاوی میکروذرات FeS است. در مدل ارائه‌شده ابتدا جذب ذرات مغناطیسی زیر میکرونی برای یک هندسه دوبعدی و در شرایط مختلف به‌صورت عددی با استفاده از نرم‌افزار کامسول (COMSOL) با روش المان محدود محاسبه می‌شود. توسط این نتایج یک پایگاه داده برای جذب ذرات به ازای سرعت‌های مختلف جریان، قطرهای مختلف ذرات و چیدمان‌های متفاوت میله‌ها به‌دست آمده است. از طریق پردازش داده‌های این پایگاه تعداد ذرات جذب شده روی یک دسته میله سه‌بعدی توسط انتگرال‌گیری عددی در راستای عمق میله محاسبه شده است. نهایتاً مقدار جذب ذرات روی ماتریس میله‌ها به ازای ورود طیف گاوسی از ذرات به کانال تعیین شده است. نشان داده می‌شود در این فیلترها مقدار جذب ذرات با قطر ذرات رابطه مستقیم و با عدد رینولدز جریان و فاصله عرضی بین میله‌ها رابطه معکوس دارد. همچنین در شرایط یکسان مقدار فیلتراسیون چیدمان مثلثی میله‌ها نسبت به چیدمان مستطیلی بیشتر است که البته اختلاف میزان جذب ذرات در این دو آرایش با افزایش سرعت جریان، فاصله بین میله‌ها و کاهش قطر ذرات کاهش می‌یابد. این نتایج می‌تواند برای بهینه‌سازی فیلتراسیون ذرات در فیلترهای مغناطیسی مورد استفاده قرار گیرد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

3D Modeling of the Effects of Arrangement and Geometry of the Rod Matrix on the Capturing of Micro-Particles in High Gradient Magnetic Filters

نویسندگان English

M. Sahami
J. Jamaati
Mechanical Engineering Department, Engineering Faculty, Razi University, Kermanshah, Iran
چکیده English

In this paper, a 3D model is proposed for investigating the performance of HGMS filters. This filter consists of a matrix of iron rods arranged in a channel with a square cross-section and subjected to an external magnetic field. The flowing fluid is the amine solution which contains the FeS micro-particles. In the presented model, first, the capture performances of magnetic particles for 2D geometries are calculated numerically at various conditions using COMSOL Multiphysics software through finite element method. Using these results, a database of capture performance has been established for different speeds of the flow, diameters of the particle and arrangement of the rods. By use of the processing of this database, the capture performance of semi-sized particles for a 3D problem is calculated through the integration of captured particles along the length of the rods. Finally, the amount of total particles captured on the rod matrix is obtained for a group of particles with various diameters assuming Gaussian distribution. The results indicate that in HGMS filters, the particle capturing is directly related to the particle diameter but inversely depends on Reynolds number and the vertical distance between the rods. Also, at the same conditions, the filtration of the triangular arrangement of rods is greater than the rectangular arrangement. However, the performance difference of these two arrangements decreases with increase in the flow velocity or increase in the distance between the rods or decrease in the diameter of the particles. These results can be used to optimize the filtration of particles in the magnetic filters at different conditions.

کلیدواژه‌ها English

Capture Efficiency
Magnetic Filter
High Gradient Magnetic Separation
Gaussian Distribution of Particles
Arrangement of Magnetic Matrix
Yamamoto J, Mori T, Akiyama Y, Okada H, Hirota N, Matsuura H, et al. Removal of Iron scale from boiler feed-water in thermal power plant by magnetic separation: Large-scale experiment. IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 2019;29(5). [Link] [DOI:10.1109/TASC.2019.2901958]
Zheng X, Wang Y, Lu D. Study on capture radius and efficiency of fine weakly magnetic minerals in high gradient magnetic field. Minerals Engineering. 2015;74:79-85. [Link] [DOI:10.1016/j.mineng.2015.02.001]
Barnes DR, inventor. Magnetic trap for removal of iron from amines. United States Patent US6077332A. 2000 June 20. [Link]
Watson JHP. Magnetic filtration. Journal of Applied Physics. 1973;44(9):4209-4213. [Link] [DOI:10.1063/1.1662920]
Zheng X, Wang Y, Lu D. Investigation of the particle capture of elliptic cross-sectional matrix for high gradient magnetic separation. Powder Technology. 2016;297:303-310. [Link] [DOI:10.1016/j.powtec.2016.04.032]
Zheng X, Wang Y, Lu D, Li X, Li S, Chu H. Comparative study on the performance of circular and elliptic cross-section matrices in axial high gradient magnetic separation: Role of the applied magnetic induction. Minerals Engineering. 2017;110:12-19. [Link] [DOI:10.1016/j.mineng.2017.04.003]
Hayashi S, Mishima F, Akiyama Y, Nishijima S. Development of high gradient magnetic separation system for removing the metallic wear debris to be present in highly viscous fluid. Physica C: Superconductivity and its Applications. 2010;470(20):1822-1826. [Link] [DOI:10.1016/j.physc.2010.05.215]
Kim YG, Song JB, Yang DG, Lee JS, Park YJ, Kang DH, et al. Effects of filter shapes on the capture efficiency of a superconducting high-gradient magnetic separation system. Superconductor Science and Technology. 2013;26(8):085002. [Link] [DOI:10.1088/0953-2048/26/8/085002]
Eisenträger A, Vella D, Griffiths IM. Particle Capture efficiency in a multi-wire model for high gradient magnetic separation. Applied Physics Letters. 2014;105(3):033508. [Link] [DOI:10.1063/1.4890965]
Zheng X, Wang Y, Lu D. A realistic description of influence of the magnetic field strength on high gradient magnetic separation. Minerals Engineering. 2015;79:94-101. [Link] [DOI:10.1016/j.mineng.2015.06.004]
Xu F, Chen A. Calculation of Evaluation Variables for High Gradient Magnetic Separation with an Idealized Capture Model. arXiv preprint arXiv:1611.09481 (Physics - Fluid Dynamics). 2016 Nov:1-11. [Link]
Li L, Greenberg PS, Jr Street KW, Chen DR. Study of a magnetic filter system for the characterization of particle magnetic property. Aerosol Science and Technology. 2011;45(3):327-335. [Link] [DOI:10.1080/02786826.2010.534514]
Khashan SA, Alazzam A, Furlani EP. Computational analysis of enhanced magnetic bioseparation in microfluidic systems with flow-invasive magnetic elements. Scientific Reports. 2014;4. [Link] [DOI:10.1038/srep05299]
Chen L, Qian Z, Wen S, Huang S. High-gradient magnetic separation of ultrafine particles with rod matrix. Mineral Processing and Extractive Metallurgy Review. 2013;34(5):340-347. [Link] [DOI:10.1080/08827508.2012.695304]
Zeng W, Dahe X. The latest application of SLon vertical ring and pulsating High-gradient magnetic separator. Minerals Engineering. 2003;16(6):563-565. [Link] [DOI:10.1016/S0892-6875(03)00102-X]
Huang S, Park H, Park YK, Jo YM. Dynamic Trajectory and capture of fine dust magnetic mesh filters based on a particle velocity model. Aerosol Science and Technology. 2015;49(8):633-642. [Link] [DOI:10.1080/02786826.2015.1056337]
Nakamura Y. Physical properties of alkali metal-ammonia (amine) solutions studied by magnetic resonance methods. Journal de Physique IV Colloque. 1991;01(C5):61-70. [Link] [DOI:10.1051/jp4:1991507]
Hunt CP, Moskowitz BM, Banerjee SK. Magnetic properties of rocks and minerals. In: Ahrens TJ, editor. Rock physics & phase relations: A handbook of physical constants. Washington: American Geophysical :union:; 1995. pp.189-204. [Link] [DOI:10.1029/RF003p0189]
Zaichik LI, Pershukov VA, Kozelev MV, Vinberg AA. Modeling of dynamics, heat transfer, and combustion in two-phase turbulent flows: 1. Isothermal flows. Experimental Thermal and Fluid Science. 1997;15(4):291-310. [Link] [DOI:10.1016/S0894-1777(97)00009-5]
Askari Lasaki S, Shojaefard, M. Mathematical modeling of potential flow over a rotating cylinder. International Journal of Engineering Transactions A: Basics. 2011;24(1):55-63. [Link]
Bejan A. Convection heat transfer. 4th Edition. Hoboken: John Wiley & sons; 2013. [Link] [DOI:10.1002/9781118671627]
Huang S, Zhang X, Tafu M, Toshima T, Jo Y. Study on subway particle capture by ferromagnetic mesh filter in nonuniform magnetic field. Separation and Purification Technology. 2015;156 Pt 2:642-654. [Link] [DOI:10.1016/j.seppur.2015.10.060]