利用梯度磁场实现空气中氧气富集的实验研究

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1、维普资讯http://www.cqvip.com第28卷第11期北京科技大学学报V01．28N0．112006年11月JournalofUnive~ityofScienceandTechnologyBeUingNov．2006利用梯度磁场实现空气中氧气富集的实验研究蔡祭军卑’王立吴平2)1)北京科技大学机械工程学院，北京1000832)北京科技大学应用科学学院，北京100083摘要提出了一种新的利用梯度磁场实现空气中氧气富集的方法：用两块相距一定距离的磁铁异极相对围成一个四周边界开放的磁场空间，其边界处存在着指向空间内部的场强梯度．进入磁场空间的气体中氧分子在通过边界流出时

2、将受到磁化力的阻碍作用，这样就在磁场空间内部尤其是远离空气入口位置，氧分子得到富集．该方法最突出的特点在于，可有效避免由于气体湍流、分子的布朗运动以及扩散作用所造成的再混合．磁体材料为钕铁硼，尺寸为78mmx38mmx30mm，所围空间的尺寸为78mmx38mmx1mm．实验结果表明：磁场空间内氧体积分数增加最多的地方出现在距空气入口最远边界处，在一定空气入口流量范围内(≤60mL·min)，进出口空气流量比存在一个最佳值，使磁场空间内各处的氧体积分数达到最大；在本文实验条件下，该值在2．0左右，当进出口流量分别为40mL·min和20mL·min时，出口气体氧的体积分数增

3、量可达到0．65％．关键词高梯度磁场；氧氮分离；磁分离；富氧分类号TQ028．92根据电磁学理论，在非均匀磁场中的介质会此空气在高梯度强磁场作用下，其中的氧分子向受到磁化力的作用，单位体积磁介质所受到的磁磁场强的地方聚集，而氮分子则向磁场弱的地方化力为：集中，从而达到氧氮分离的目的．由式(1)可知，磁场越强，场强梯度越大，氧分子受到的磁化力就F=羔血0BQA(1)越大，分离效果就越明显．本文基于氧气和氮气在高梯度磁场中呈现的不同特性，提出了一种高其中，F为x方向介质受到的磁化力，。为真空梯度磁场氧氮分离装置，并进行了实验．磁导率，y为介质的体积磁化率，B为磁感应强度，dB／

4、dX为场强梯度。至今为止，基于该原理1实验的高梯度磁分离技术已经在选矿、废水、饮用水处1．1实验装置理及烟气除尘等领域得到了广泛的应用LlJ．另目前，利用高梯度磁场进行富氧研究的实验外，利用梯度磁场控制气体流动可以改善燃烧，加装置的普遍做法是：让氧氮混合气体经过存在场速呼吸以及促进晶体生长等E6-9J．强梯度的磁场区域，由于氧氮分子受力方向不同，虽然高梯度磁分离技术在很多领域得到了应从而在流动过程中逐渐实现分离．这种做法忽视用，但是把该技术应用于氧氮分离却还处于起步了气体在流动过程中湍流作用对磁场分离过程的发展阶段．朱重光、张驰等讨论了高梯度磁场对影响．实际上，湍流作用的影

5、响是“致命”的，它能氧氮的分离过程，并对其可行性进行了分很轻易地把梯度磁场的分离成果“抹杀”掉．鉴于析[加，但是并没有进行实验研究．此，本文提出了一种新的方法，并设计出了相应的氧气和氮气具有不同的磁性：氧气呈现顺磁高梯度磁场分离装置．该方法可有效避免由于气性，y>0，在梯度磁场中所受磁化力方向为磁场体湍流、分子的布朗运动以及扩散作用所造成的强度增大方向；而氮气则呈抗磁性，y<0，在梯度再混合．磁场中所受磁化力方向为磁场强度降低方向．因整个磁场区域由两块相同的矩形钕铁硼永磁收稿日期：2005~)9—02修回日期：2006—03—16体形成，永磁体的几何尺寸L×W×H为作者简介

6、：蔡军(1977一)，男，博士研究生；王立(1956一)78mm×38mm×30miTt．两块永磁体异极相对，男．教授，博士生导师其磁极布置形式如图1所示，两块磁体之间的间维普资讯http://www.cqvip.com蔡军等：利用梯度磁场实现空气中氧气富集的实验研究隙距离可以调节用类似一个具有选择性的“筛子”，氧分子不易穿过该筛子而氮分子却相对更容易穿过．因此，利用梯度磁场的“筛子”作用，可以实现氧氮分离或富氧的目的，而且这种方法可有效避免气体湍流所造成的再混合．(Q一Q)／2}}}}}}}}(a)三维示意图(b)横截面示意图Q．===图1磁极布置形式Fig．1Layou

7、tofmagneticpolesIIII4I4}(Q广Q2)／2本文采用的钕铁硼永磁体的牌号为N35，其图3气体在磁场间隙内的二维流动示意图性能如下【l2J：剩磁1．25T；矫顽力860kA·m一1；Fig．3Two-dimensionaldiagrammaticsketchofgasflowsinthemagneticspacebetweentwopoles内禀矫顽力1吕000kA·m～；最大磁能积290l【J·m～．图2所示为=1mm时，间隙内的整个实验装置示意图如图4所示．风机提供气隙磁场沿x轴方向上的磁场分