利用梯度磁场实现空气中氧气富集的实验研究

D01:10.13374j.isml00103x2006.11.012 第28卷第11期 北京科技大学学报 Vol.28 No.11 2006年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Now.2006 利用梯度磁场实现空气中氧气富集的实验研究 蔡军)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78mm×38mm×30mm, 所围空间的尺寸为78mmX38mm×1mm.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"mi),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40 mL'min1和20mL·min1时，出口气体氧的体积分数增量可达到 0.65%. 关键词高梯度磁场：氧氮分离：磁分离：富氧 分类号TQ02892 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()可知 磁场越强.场强梯度越大，氧分子受到的磁化力就 F=- (1) o dx 越大，分离效果就越明显.本文基于氧气和氮气 其中，F为X方向介质受到的磁化力，凸为真空 在高梯度磁场中呈现的不同特性提出了一种高 磁导率，X为介质的体积磁化率，B为磁感应强 梯度磁场氧氮分离装置并进行了实验， 度，dB/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 理及烟气除尘等领域得到了广泛的应用一.另 11实验装置 外，利用梯度磁场控制气体流动可以改善燃烧，加 目前，利用高梯度磁场进行富氧研究的实验 速呼吸以及促进晶体生长等6 装置的普遍做法是：让氧氮混合气体经过存在场 虽然高梯度磁分离技术在很多领域得到了应 强梯度的磁场区域由于氧氮分子受力方向不同， 用，但是把该技术应用于氧氮分离却还处于起步 从而在流动过程中逐渐实现分离.这种做法忽视 发展阶段.朱重光、张驰等讨论了高梯度磁场对 了气体在流动过程中湍流作用对磁场分离过程的 氧氮的分离过程，并对其可行性进行了分 影响.实际上，湍流作用的影响是“致命”的，它能 析11)，但是并没有进行实验研究. 很轻易地把梯度磁场的分离成果“抹杀”掉.鉴于 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 性，0，在梯度磁场中所受磁化力方向为磁场 高梯度磁场分离装置.该方法可有效避免由于气 体湍流、分子的布朗运动以及扩散作用所造成的 强度增大方向：而氮气则呈抗磁性，~0，在梯度 磁场中所受磁化力方向为磁场强度降低方向.因 再混合. 整个磁场区域由两块相同的矩形钕铁硼永磁 收稿日期：2005-09-02修回日期：200603-16 体形成，永磁体的几何尺寸L×W×H为 作者简介：蔡军(19刀-)，男，博士研究生：王立(1956-)， 78mm×38mm×30mm.两块永磁体异极相对， 男.教授，博士生导师 ,i9+0 China Academic Jou Eectro Pu基磁极有鼠形式御凰所丞两块碱体之间的间kine

利用梯度磁场实现空气中氧气富集的实验研究 蔡 军1) 王 立1) 吴 平2) 1) 北京科技大学机械工程学院, 北京 100083 2) 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78 mm ×38 mm ×30mm, 所围空间的尺寸为78 mm ×38 mm ×1 mm .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( ≤60 m L·min -1 ) , 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 40 mL·min -1和 20 m L·min -1 时, 出口气体氧的体积分数增量可达到 0.65%. 关键词 高梯度磁场;氧氮分离;磁分离;富氧 分类号 TQ 028.9 +2 收稿日期:2005 09 02 修回日期:2006 03 16 作者简介:蔡 军( 1977—) , 男, 博士研究生;王 立( 1956—) , 男, 教授, 博士生导师 根据电磁学理论, 在非均匀磁场中的介质会 受到磁化力的作用, 单位体积磁介质所受到的磁 化力为: F = χ μ0 B dB dX ( 1) 其中, F 为 X 方向介质受到的磁化力, μ0 为真空 磁导率, χ为介质的体积磁化率, B 为磁感应强 度, dB/dX 为场强梯度.至今为止, 基于该原理 的高梯度磁分离技术已经在选矿、废水 、饮用水处 理及烟气除尘等领域得到了广泛的应用[ 1-5] .另 外, 利用梯度磁场控制气体流动可以改善燃烧, 加 速呼吸以及促进晶体生长等 [ 6-9] . 虽然高梯度磁分离技术在很多领域得到了应 用, 但是把该技术应用于氧氮分离却还处于起步 发展阶段.朱重光 、张驰等讨论了高梯度磁场对 氧氮 的 分 离过 程, 并 对 其 可 行 性进 行 了 分 析[ 10-11] , 但是并没有进行实验研究 . 氧气和氮气具有不同的磁性 :氧气呈现顺磁 性, χ>0, 在梯度磁场中所受磁化力方向为磁场 强度增大方向;而氮气则呈抗磁性, χ<0, 在梯度 磁场中所受磁化力方向为磁场强度降低方向.因 此空气在高梯度强磁场作用下, 其中的氧分子向 磁场强的地方聚集, 而氮分子则向磁场弱的地方 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 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 梯度磁场氧氮分离装置, 并进行了实验 . 1 实验 1.1 实验装置 目前, 利用高梯度磁场进行富氧研究的实验 装置的普遍做法是 :让氧氮混合气体经过存在场 强梯度的磁场区域, 由于氧氮分子受力方向不同, 从而在流动过程中逐渐实现分离 .这种做法忽视 了气体在流动过程中湍流作用对磁场分离过程的 影响.实际上, 湍流作用的影响是“致命” 的, 它能 很轻易地把梯度磁场的分离成果“抹杀”掉 .鉴于 此, 本文提出了一种新的方法, 并设计出了相应的 高梯度磁场分离装置 .该方法可有效避免由于气 体湍流 、分子的布朗运动以及扩散作用所造成的 再混合. 整个磁场区域由两块相同的矩形钕铁硼永磁 体形成, 永 磁体的 几何尺 寸 L × W ×H 为 78 mm ×38 mm ×30 mm .两块永磁体异极相对, 其磁极布置形式如图 1 所示, 两块磁体之间的间 第 28 卷 第 11 期 2006 年 11 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol.28 No.11 Nov.2006 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2006.11.012

Vol.28 No.11 蔡军等：利用梯度磁场实现空气中氧气富集的实验研究 。1059。 隙距离6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 Z H 所造成的再混合. (Q-Q2 (a)三维示意图 (b)横截面示意图 图1磁极布置形式 Fig.I Layout of magetic poles (Q,-Q,y2 本文采用的钕铁硼永磁体的牌号为N35,其 图3气体在磁场间隙的的二维流动示意图 性能如下回：剩磁1.25T;矫顽力860kAm Fig.3 Two-dimensional diagrammatic sketch of gas flows in the 内禀矫顽力1000kA·m-1;最大磁能积 magnetic space between two poles 290kJm3.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轴方向上的磁场分布.由图可知： 的空气经过缓冲容器进入磁场间隙.由图3与 气隙磁场关于Z轴对称，在一l5mm<X< 图4可知，沿X轴正负方向两侧分流出去的气体 十l5mm的区间内，磁感应强度几乎相等约为 最后汇集在一起，通过流量计1流出，其余气体通 L.17T;当X<-15mm和X>+15mm时，间隙 过流量计2流出.通过配合调节流量计1和2的 内的磁感应强度开始急剧下降，在边缘处降为零， 进口阀门，可以调节进入磁场间隙的气体流量和 因此这一区间内存在相当大的场强梯度，对氧分 容器内的压力.带有针头的塑料软管用于沿Z轴 子产生磁化力作用的正是这一区域. 进行定点取样，针头的取样端插入到磁场间隙的 中心位置(X=0),如图4所示.在本文实验条件 1.0 下，磁场间隙内的气体沿轴方向的平均宏观流速 0.8 很低，其最大值约为1.97×102ms1,另外取 0.6 样针头非常细小，因此针头对磁场间隙内气体流 0.4 动的影响非常小，可以近似认为气体在磁场间隙 内的流动是对称的.与磁场间隙平齐的密封容器 0.2 壁上开有一排圆孔，圆孔用橡胶垫进行密封.通 -20 -10 0 10 20 X/mm 过圆孔，把针头插入到磁场间隙内约3mm处，可 以在磁场间隙端面出口处附近沿X轴方向进行 图2气隙磁场沿X轴方向上的场强分布（≥1mm) 定点取样.隔板的作用是为了把沿X轴正负方 Fig.2 Field intensity distribution of the air-gap magnetic field 向两侧分流出去的气体与从磁场间隙端面出口流 along the X direction (1mm) 压力计 Q-Q-0 p 流量计1 图3所示为气体在磁场间隙内流动的示意 隔板 图.当流量为Q1的空气从磁场间隙端面进入间 密封容器 Q 隙后，流量为Q2的部分气体沿轴方向流动，剩余 暖冲 容 永磁体 息流量计 气体将以流量(Q1一Q2/2分别沿X轴的正负 风机 2 方向分流出去，并流出磁场间隙这部分气体在流 橡胶垫 出磁场间隙前要穿过梯度磁场区域.由式(1)可 知：气体中的氧分子将受到梯度磁场的磁化力作 隔板 用，其运动受到阻碍；对于氮气分子，由于磁性与 针头 塑料软管 氧气分子相反其运动不会受到梯度磁场的阻碍. 受到阻碍而留在磁场间隙内的氧分子随同Z轴 图4实验装置示意图 方向的氖流流出e由此可界梯度磁扬尽撼的作c Publishing House,.Irighis reserved” Fig.4 Experimental setup http://www.cnki.net

隙距离 δ可以调节 . 图 1 磁极布置形式 Fig.1 Layout of magnetic poles 本文采用的钕铁硼永磁体的牌号为 N35, 其 性能如下[ 12] :剩磁 1.25T ;矫顽力 860 kA·m -1 ; 内禀 矫 顽 力 1 000 kA · m -1 ;最 大 磁 能 积 290 kJ·m -3 .图 2 所示为 δ=1 mm 时, 间隙内的 气隙磁场沿 X 轴方向上的磁场分布 .由图可知: 气隙磁 场关 于 Z 轴 对称, 在 -15 mm <X < +15 mm的区间内, 磁感应强度几乎相等, 约为 1.17T ;当 X <-15 mm和 X >+15 mm时, 间隙 内的磁感应强度开始急剧下降, 在边缘处降为零, 因此这一区间内存在相当大的场强梯度, 对氧分 子产生磁化力作用的正是这一区域 . 图 2 气隙磁场沿 X 轴方向上的场强分布( δ=1 mm) Fig.2 Field intensity distribution of the air-gap magnetic field along the X direction ( δ=1 mm) 图 3 所示为气体在磁场间隙内流动的示意 图.当流量为 Q1 的空气从磁场间隙端面进入间 隙后, 流量为 Q2 的部分气体沿轴方向流动, 剩余 气体将以流量( Q1 -Q2 )/2 分别沿 X 轴的正负 方向分流出去, 并流出磁场间隙, 这部分气体在流 出磁场间隙前要穿过梯度磁场区域 .由式( 1) 可 知:气体中的氧分子将受到梯度磁场的磁化力作 用, 其运动受到阻碍 ;对于氮气分子, 由于磁性与 氧气分子相反, 其运动不会受到梯度磁场的阻碍. 受到阻碍而留在磁场间隙内的氧分子随同 Z 轴 方向的气流流出 .由此可见, 梯度磁场区域的作 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. 图 3 气体在磁场间隙内的二维流动示意图 Fig.3 Two-dimensional diagrammatic sketch of gas flows in the magnetic space between two poles 图 4 实验装置示意图 Fig.4 Experimental setup 整个实验装置示意图如图 4 所示.风机提供 的空气经过缓冲容器进入磁场间隙 .由图 3 与 图 4可知, 沿 X 轴正负方向两侧分流出去的气体 最后汇集在一起, 通过流量计 1 流出, 其余气体通 过流量计 2 流出.通过配合调节流量计 1 和 2 的 进口阀门, 可以调节进入磁场间隙的气体流量和 容器内的压力 .带有针头的塑料软管用于沿 Z 轴 进行定点取样, 针头的取样端插入到磁场间隙的 中心位置( X =0), 如图 4 所示.在本文实验条件 下, 磁场间隙内的气体沿轴方向的平均宏观流速 很低, 其最大值约为 1.97 ×10 -2 m·s -1 , 另外取 样针头非常细小, 因此针头对磁场间隙内气体流 动的影响非常小, 可以近似认为气体在磁场间隙 内的流动是对称的.与磁场间隙平齐的密封容器 壁上开有一排圆孔, 圆孔用橡胶垫进行密封 .通 过圆孔, 把针头插入到磁场间隙内约3 mm处, 可 以在磁场间隙端面出口处附近沿 X 轴方向进行 定点取样 .隔板的作用是为了把沿 X 轴正负方 向两侧分流出去的气体与从磁场间隙端面出口流 Vol.28 No.11 蔡 军等:利用梯度磁场实现空气中氧气富集的实验研究 · 1059 ·

。1060。 北京科技大学学报 2006年第11期 出的气体隔绝开，以防止两股气流混合在一起. 通过以下公式可以计算出所注入高纯氮气的体 12分析方法 积 本文采取定点取样方法对磁场间隙内不同地 v=m-2△v (2) 方的氧体积分数进行分析.由于氧体积分数变化 -C2-C1 量很小，为了保证测量精度，在分析氧体积分数 重复以上操作10次，取平均值V= 时，采用间接测量方法.具体作法是：以高纯氮气 (纯度达到99.999%)作为背景气，把抽取的气样 上》收作为高纯氨气的注入体积。表1所示 10名 与背景气混合，用微量氧分析仪器测出混合气体 为每次充气压力设定为1050Pa时的计算结果. 的氧体积分数值，然后再返算气样中氧体积分数. 由表1可知，当容器内部压力为1050Pa时，高纯 图5所示为氧体积分数分析装置示意图.图中1， 氮气注入体积的平均值V=5331.65mL.用于 2,3和4为控制阀门；气体分析仪采用EC911微 注射气体的微量进样器在使用前经过了气密性检 量氧分析仪，其量程为107~1%，精度为读数的 查，具有很好的气密性，测量氧体积分数的分析仪 士2%：U型玻璃管压力计确保每次注入的背景 具有很高的精度，这些都保证了高纯氮气注入体 气的量相同：阀2与压力计之间采用6的塑料软 积的测量精度.当计算高纯氮气注入体积的时 管连接，其他管线采用1的不锈钢管，以确保整 候把注入空气的氧体积分数假设为了20.9%， 个管路的密封. 不可否认这将给注入体积的测量带来误差.但 氨气钢瓶 是，由于注入的空气量相比容器内的高纯氮气量 -1 小的多，因此由于空气的氧体积分数差别而导致 减压阀 的高纯氮气注入体积的测量误差是很小的.经过 注射时器 测量，实验环境下空气的氧体积分数在20.9%~ -3 210%之间波动.把空气的氧体积分数视为 混合气室 力计 21.0%时得到的高纯氮气注入体积的平均值为 4 5558.13mL,相对误差约为0.5%，这样的误差给 氧分析仪 以后计算气样中氧的体积分数所带来的相对误差 内置气泵 在0.5%左右，可以忽略 图5气样中的氧体积分数分析装置示意图 表1充气压力为L.050MPa的高纯氮气注入量的计算结果 Fig.5 Analytical setup of oxygen volume fraction in the gas Table 1 Calculation resuts of highpurity nitrogen volume under sample 1 050 MPa charged pressure 为计算出气样中氧体积分数，先确定一定压 次数，K CV10-6 C/10-6 注入体积，'/mL 力下高纯氮气的注入量操作步骤如下： 5.00 428 5527.97 (1)排除阀门2与U型管压力计之间的空 3 513 429 5532.36 495 427 5535.29 气.断开软管与U型管压力计之间的连接，关闭 今 4 494 427 553383 阀门3，打开阀门1和2，微调减压阀通氮气 5 485 428 550612 5min,然后在保持通氮气的情况下，把软管连接 6 499 427 5541.16 到U型管压力计，并关闭阀门2和减压阀. 7 507 428 553822 (2)高纯氮气的注入量.打开阀门3,4，微调 8 520 429 554263 减压阀持续通高纯氮气，对管路进行清扫，氧分析 9 510 430 5513.38 10 492 426 5545.65 仪的示数不断降低当仪器示数稳定时，停止通入 平均值 5531.65 氮气，记录下氧体积分数值C1,并关闭阀4，打开 阀2，对混合气室进行充气，当内部压力增至设定 确定了高纯氮气的注入体积后，通过氧分析 的压力时停止充气，依次关闭减压阀、阀门2与阀 仪给出注入△V=1mL气样后混合气体的氧的 门3，然后用微量进样器往混合气室中注入△V= 体积分数值C2,然后根据下式可计算出样气中的 1mL的空气（氧体积分数视为Co=209%),让 氧体积分数C: 其充分混合后，打开阀门4，并开启氧分析仪的内 C=r+△)C2-G 置气泵，消乐数稳定时，记录下氯体积分教值8 iPublishing House,.All rightsrved.. (3) http://www.cnki.net

出的气体隔绝开, 以防止两股气流混合在一起 . 1.2 分析方法 本文采取定点取样方法对磁场间隙内不同地 方的氧体积分数进行分析 .由于氧体积分数变化 量很小, 为了保证测量精度, 在分析氧体积分数 时, 采用间接测量方法 .具体作法是:以高纯氮气 (纯度达到 99.999 %)作为背景气, 把抽取的气样 与背景气混合, 用微量氧分析仪器测出混合气体 的氧体积分数值, 然后再返算气样中氧体积分数. 图5 所示为氧体积分数分析装置示意图.图中 1, 2, 3 和 4 为控制阀门;气体分析仪采用 EC911 微 量氧分析仪, 其量程为 10 -7 ～ 1 %, 精度为读数的 ±2 %;U 型玻璃管压力计确保每次注入的背景 气的量相同;阀 2 与压力计之间采用 6 的塑料软 管连接, 其他管线采用 1 的不锈钢管, 以确保整 个管路的密封. 图 5 气样中的氧体积分数分析装置示意图 Fig.5 Analyti cal setup of oxygen volume fraction in the gas sampl e 为计算出气样中氧体积分数, 先确定一定压 力下高纯氮气的注入量, 操作步骤如下 : (1) 排除阀门 2 与 U 型管压力计之间的空 气.断开软管与 U 型管压力计之间的连接, 关闭 阀门 3, 打开阀门 1 和 2, 微调减压阀通氮气 5 min, 然后在保持通氮气的情况下, 把软管连接 到 U 型管压力计, 并关闭阀门 2 和减压阀. ( 2) 高纯氮气的注入量 .打开阀门 3, 4, 微调 减压阀持续通高纯氮气, 对管路进行清扫, 氧分析 仪的示数不断降低, 当仪器示数稳定时, 停止通入 氮气, 记录下氧体积分数值 C1, 并关闭阀 4, 打开 阀 2, 对混合气室进行充气, 当内部压力增至设定 的压力时停止充气, 依次关闭减压阀、阀门 2 与阀 门3, 然后用微量进样器往混合气室中注入 ΔV = 1 mL 的空气(氧体积分数视为 C0 =20.9 %), 让 其充分混合后, 打开阀门 4, 并开启氧分析仪的内 置气泵, 当示数稳定时, 记录下氧体积分数值 C2 . 通过以下公式可以计算出所注入高纯氮气的体 积: V = C0 -C2 C2 -C1 ΔV ( 2) 重复 以 上 操 作 10 次, 取 平 均 值 V = 1 10 ∑ 10 K =1 VK 作为高纯氮气的注入体积.表 1 所示 为每次充气压力设定为 1 050 Pa 时的计算结果. 由表 1 可知, 当容器内部压力为 1 050 Pa 时, 高纯 氮气注入体积的平均值 V =5 331.65 mL .用于 注射气体的微量进样器在使用前经过了气密性检 查, 具有很好的气密性, 测量氧体积分数的分析仪 具有很高的精度, 这些都保证了高纯氮气注入体 积的测量精度 .当计算高纯氮气注入体积的时 候, 把注入空气的氧体积分数假设为了 20.9 %, 不可否认, 这将给注入体积的测量带来误差 .但 是, 由于注入的空气量相比容器内的高纯氮气量 小的多, 因此由于空气的氧体积分数差别而导致 的高纯氮气注入体积的测量误差是很小的 .经过 测量, 实验环境下空气的氧体积分数在 20.9 %～ 21.0 %之间波动.把空气的氧体积分数视为 21.0 %时得到的高纯氮气注入体积的平均值为 5 558.13 mL, 相对误差约为 0.5 %, 这样的误差给 以后计算气样中氧的体积分数所带来的相对误差 在 0.5 %左右, 可以忽略. 表1 充气压力为 1.050MPa 的高纯氮气注入量的计算结果 Table 1 Calculation results of high-purity nitrogen volume under 1.050 MPa charged pressure 次数, K C1/ 10 -6 C2/ 10 -6 注入体积, VK / mL 1 5.00 42.8 5 527.97 2 5.13 42.9 5 532.36 3 4.95 42.7 5 535.29 4 4.94 42.7 5 533.83 5 4.85 42.8 5 506.12 6 4.99 42.7 5 541.16 7 5.07 42.8 5 538.22 8 5.20 42.9 5 542.63 9 5.10 43.0 5 513.38 10 4.92 42.6 5 545.65 平均值 — — 5531.65 确定了高纯氮气的注入体积后, 通过氧分析 仪给出注入 ΔV =1 mL 气样后混合气体的氧的 体积分数值 C2, 然后根据下式可计算出样气中的 氧体积分数 C : C = ( V +ΔV ) C2 -VC1 ΔV ( 3) · 1060 · 北 京 科 技 大 学 学 报 2006 年第 11 期

Vol.28 No.11 蔡军等：利用梯度磁场实现空气中氧气富集的实验研究 。1061。 式中，V为高纯氮气注入体积，C2为注入样气后 域)扩散造成的.由图6和图7可知随着进口流 的仪器示数C1为注入样气前的仪器示数. 量的增加，各取样点的氧体积分数变化量先增大 0.6 2 实验结果及分析 -■-Q,-20mL+min4 Qz=20 mL-min 0.5 -。-Q=30 mL.min 整个气隙磁场关于Z轴对称，因此只需对半 04 -t-Q,=40mL·min-l --Q=50 mL.min 边的气隙磁场区域进行取样分析，取样位置如图 -◆-Q,-60 mL.min-l 5所示.通过密封容器壁上的圆孔取样可以得到 磁场间隙端面出口处沿X轴方向的氧体积分数 变化情况，通过带有针头的塑料软管在侧面取样 0.1 可以得到磁场间隙内沿Z轴(X=0)上的氧体积 0 分数变化情况.另外，还对从流量计2出来的气 0.2 0.4 0.60.8 1.0 ZL 体进行氧体积分数分析.整个实验是在室温(25 下进行的，由于风机出口压力不大因此密封 图7不同进口流量Q1条件下磁场间隙内Z轴(X=0)上各 点的氧体积分数增量变化 容器内的压力也近似大气压力 Fig.7 Changes of the increment of oxygen volume fraction a 图6~8是出口流量Q2=20mL°min时， long the axis Z(X0)under different inlet flow 磁场间隙内各取样点的氧体积分数变化量随进口 流量的变化情况，以及从流量计2出来气体的氧 体积分数变化量随进口流量的变化情况. Qz-20 mL.min- 0.6 --Q,=20mL…min1 1.0--Q,=30ml.mim1 Q2=20 mL.min- -*-Q,=40mL·minl A 是0.8--Q,=50 mL.min- 0.4 -◆-Q,=60 mL.min 0.6 ★ 0.2 0.2 0 ◆ 20 30 40 50 60 Q/(mL.min-) 0 00.20.40.6 0.81.0 图8从流量计2流出气体的氧体积分数增量随进口流量Q X7(w2) 的变化 图6不同进口流量Q1条件下磁场间隙端面出口处各点氧体 Fig.8 Changes of the increment of oxygen volume fraction of 积分数增量的变化 gas flowing through Flowmeter 2 with inlet flow O Fig.6 Changes of the increment of oxygen volume fraction at the end outlet of the magnetic space under different inlet flow 后降低，当进口流量Q1=20mL·min1时，磁场 2, 间隙内各个点的氧体积分数变化量达到最大且 最大增量达到了0.98%（图6中A点所示），而从 由图6可知，对于所有进口流量，随着X值 流量计2流出气体的氧体积分数增量也到达最大 的逐渐增大，氧体积分数变化量也逐渐增加，约在 值0.65%（图8所示）.这表明，在Q2一定的情 X/(W/2)=0.789,即X=15mm附近达到最大 况下，进口流量Q1存在一个最佳值，通过图8可 然后又开始下降，这与图2所示的磁场分布一致， 以直观地看到这一点.这种情况可以解释为：当 X=15mm恰好是磁场开始产生场强梯度的地 Q1很小时，从磁场间隙两侧边界分流出去的气 方，是氧分子受到磁化力作用的起始点，所以这里 体相应就少，只有较少的氧气分子受到梯度磁场 氧分子聚集的最多.由图2可知，在0X< 的筛子”作用，所以磁场间隙内的氧体积分数变 十15mm的区间内，磁感应强度几乎相等，氧分子 化量很小.随着Q1增大，在Q2不变的情况下从 在该区间内不会受到磁化力作用，但图6却显示 磁场间隙两侧边界分流出去的气体量相应增加， 出该区间内的氧体积分数也有一个变化，而且各 更多的氧气分子受到梯度磁场的“筛子”作用.相 个点的变化量不同，这是由于聚集在梯度磁场区 应地，被梯度磁场束缚在磁场间隙内的氧分子也 域内的氟分f向气隙磁扬忠心区撼均匀磁场服cPu就越多困此磁场间隙内各点的氧体积分数变化ki

式中, V 为高纯氮气注入体积, C2 为注入样气后 的仪器示数, C1 为注入样气前的仪器示数. 2 实验结果及分析 整个气隙磁场关于 Z 轴对称, 因此只需对半 边的气隙磁场区域进行取样分析, 取样位置如图 5 所示.通过密封容器壁上的圆孔取样可以得到 磁场间隙端面出口处沿 X 轴方向的氧体积分数 变化情况, 通过带有针头的塑料软管在侧面取样 可以得到磁场间隙内沿 Z 轴( X =0)上的氧体积 分数变化情况.另外, 还对从流量计 2 出来的气 体进行氧体积分数分析.整个实验是在室温( 25 ℃)下进行的, 由于风机出口压力不大, 因此密封 容器内的压力也近似大气压力 . 图 6 ～ 8 是出口流量 Q2 =20 mL·min -1时, 磁场间隙内各取样点的氧体积分数变化量随进口 流量的变化情况, 以及从流量计 2 出来气体的氧 体积分数变化量随进口流量的变化情况 . 图6 不同进口流量 Q1 条件下磁场间隙端面出口处各点氧体 积分数增量的变化 Fig.6 Changes of the increment of oxygen volume fraction at the end outlet of the magnetic space under different inlet flow Q1 由图 6 可知, 对于所有进口流量, 随着 X 值 的逐渐增大, 氧体积分数变化量也逐渐增加, 约在 X / ( W/2) =0.789, 即 X =15 mm 附近达到最大, 然后又开始下降, 这与图 2 所示的磁场分布一致, X =15 mm 恰好是磁场开始产生场强梯度的地 方, 是氧分子受到磁化力作用的起始点, 所以这里 氧分子聚集的最多 .由图 2 可知, 在 0 <X < +15 mm的区间内, 磁感应强度几乎相等, 氧分子 在该区间内不会受到磁化力作用, 但图 6 却显示 出该区间内的氧体积分数也有一个变化, 而且各 个点的变化量不同, 这是由于聚集在梯度磁场区 域内的氧分子向气隙磁场中心区域( 均匀磁场区 域)扩散造成的 .由图 6 和图 7 可知, 随着进口流 量的增加, 各取样点的氧体积分数变化量先增大 图 7 不同进口流量 Q1 条件下磁场间隙内 Z 轴( X =0) 上各 点的氧体积分数增量变化 Fig.7 Changes of the increment of oxygen volume fraction a￾long the axis Z ( X=0) under different inlet flow Q1 图 8 从流量计 2 流出气体的氧体积分数增量随进口流量 Q1 的变化 Fig.8 Changes of the increment of oxygen volume fraction of gas flowing through Flowmeter 2 with inlet flow Q1 后降低, 当进口流量 Q1 =20 mL·min -1时, 磁场 间隙内各个点的氧体积分数变化量达到最大, 且 最大增量达到了0.98 %(图 6 中 A 点所示) , 而从 流量计 2 流出气体的氧体积分数增量也到达最大 值 0.65 %(图 8 所示) .这表明, 在 Q2 一定的情 况下, 进口流量 Q1 存在一个最佳值, 通过图 8 可 以直观地看到这一点 .这种情况可以解释为:当 Q1 很小时, 从磁场间隙两侧边界分流出去的气 体相应就少, 只有较少的氧气分子受到梯度磁场 的“筛子”作用, 所以磁场间隙内的氧体积分数变 化量很小 .随着 Q1 增大, 在 Q2 不变的情况下从 磁场间隙两侧边界分流出去的气体量相应增加, 更多的氧气分子受到梯度磁场的“筛子”作用.相 应地, 被梯度磁场束缚在磁场间隙内的氧分子也 就越多, 因此磁场间隙内各点的氧体积分数变化 Vol.28 No.11 蔡 军等:利用梯度磁场实现空气中氧气富集的实验研究 · 1061 ·

。1062。 北京科技大学学报 2006年第11期 量开始提高.然而，随着Q1和Q3的不断增加， 072%(图9中A点所示)，而从流量计2流出气 气体分子的宏观流速增大，所具有的惯性力越来 体的氧体积分数的增量也达到最大值0.44%（图 越大，当惯性力到一定程度，梯度磁场将无法束缚 11所示).这表明在进口流量一定的情况下，出 住从磁场间隙两侧分流出去的氧分子，因此磁场 口流量存在一个最佳值，其原因与前面的分析类 间隙内各点的氧体积分数变化量又将开始降低. 似.在出口流量一定的情况下，进口流量同样也 从图6~8可以看出，当Q1=Q2的极限情况时， 存在一个最佳值，因此可以推断出进口流量与出 磁场间隙内的氧体积分数也有微小变化.原因是 口流量之间存在一个最佳比例.根据图6~1L,在 气体进入磁场间隙后，由于气体沿轴方向流动的 本文的实验条件下，Q1/Q2的最佳比例在20左 阻力比从两侧边界流出的阻力大，会有部分气体 右. 从磁场间隙两侧的边界流出，根据质量守恒，也会 0.6 有相同量的气体在前方(Z轴方向)从磁场间隙外 0.5 -。-Q2=0mL,min1 Q,=50 mL-min -.-Q2=10mL.min-1 流回磁场间隙内.流出磁场间隙的气体将受到梯 04 -◆-Q2=20mL-min1 度磁场的“筛子”作用，部分氧分子被束缚在了磁 --2=30 mL.min -◆-Q2=40 nL.min1 场间隙内；对于流入磁场间隙的气体而言，梯度磁 场对氧分子产生的作用力由阻力变为了拉力，因 此氧分子相比氮分子更容易被磁化力吸入到磁场 间隙内.所以，即使在Q1=Q2的情况下，磁场间 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 隙内仍然会有很小的氧体积分数变化. ZiL 图9~11是进口流量Q1=50 mL'min时， 图10不同出口流量Q,条件下磁场间隙内Z轴(X=0)上 磁场间隙内各取样点的氧体积分数变化量随出口 各点的氧体积分数增量的变化 流量的变化情况，以及从流量计2出来气体的氧 Fig.10 Changes of the increment of oxygen volume fraction a 体积分数变化量随出口流量的变化情况. long the axis Z(X=0)under different outlet flow 1.0 -.-Q:=0 ml..min Q,=50 ml..min 0.5 0.8 -●-Q:=l0 mL-min' Q,-50 mL-min- -*-Q:=20 mL-min -Q=30 mL.min -◆-Q2=40mL-min1 0.4 0.4 0.2 0.3 0 0.2 0.40.60.8 1.0 X(W/2) 0.2 0 20 30 40 Q/(mL.min) 图9不同出口流量Q2条件下磁场间隙端面出口处各点的氧 体积分数增量的变化 图11从流量计2流出气体的氧体积分数增量随出口流量 Fig.9 Changes of the increment of oxygen volume fraction at Q:的变化 the end outlet of the magnetic space under different outlet flow Fig.11 Changes of the increment of oxygen voume fraction of 0x gas flowing through Flowmeter 2 with outlet flow O2 由图9~11可知，与图6~8所示的情况相 文献[13]利用磁性金属丝过滤器来捕获空气 似当进口流量一定时，对于所有出口流量，磁场 中的氧分子.其原理为：利用外部磁场磁化金属 间隙内氧体积分数增量的最大值出现在间隙出口 丝，在金属丝的表面附近形成很高的场强梯度，对 截面X/(W/2)=0.789附近.磁场间隙内各取 氧分子产生很强的吸引力，当空气通过过滤器时， 样点的氧体积分数以及从流量计2流出气体的氧 该吸引力把氧分子束缚在金属丝的表面附近其 体积分数随着出口流量的增加，先增大后减小，当 结果为过虑器内的气体的氧体积分数增加了 出口流量Q2=20 mL'min时，磁场间隙内各点 0.4%.该方法主要存在两个方面的不足，一是整 的氣体分数增量达到最杰具最太增量达到cP个过程不连续示是磁性叁属丝对氧的吸附存在k1

量开始提高 .然而, 随着 Q1 和 Q3 的不断增加, 气体分子的宏观流速增大, 所具有的惯性力越来 越大, 当惯性力到一定程度, 梯度磁场将无法束缚 住从磁场间隙两侧分流出去的氧分子, 因此磁场 间隙内各点的氧体积分数变化量又将开始降低. 从图 6 ～ 8 可以看出, 当 Q1 =Q2 的极限情况时, 磁场间隙内的氧体积分数也有微小变化 .原因是 气体进入磁场间隙后, 由于气体沿轴方向流动的 阻力比从两侧边界流出的阻力大, 会有部分气体 从磁场间隙两侧的边界流出, 根据质量守恒, 也会 有相同量的气体在前方( Z 轴方向) 从磁场间隙外 流回磁场间隙内 .流出磁场间隙的气体将受到梯 度磁场的“筛子”作用, 部分氧分子被束缚在了磁 场间隙内 ;对于流入磁场间隙的气体而言, 梯度磁 场对氧分子产生的作用力由阻力变为了拉力, 因 此氧分子相比氮分子更容易被磁化力吸入到磁场 间隙内.所以, 即使在 Q1 =Q2 的情况下, 磁场间 隙内仍然会有很小的氧体积分数变化. 图9 ～ 11 是进口流量 Q1 =50 mL·min -1时, 磁场间隙内各取样点的氧体积分数变化量随出口 流量的变化情况, 以及从流量计 2 出来气体的氧 体积分数变化量随出口流量的变化情况 . 图9 不同出口流量 Q2 条件下磁场间隙端面出口处各点的氧 体积分数增量的变化 Fig.9 Changes of the increment of oxygen volume fraction at the end outlet of the magnetic space under different outlet flow Q2 由图 9 ～ 11 可知, 与图 6 ～ 8 所示的情况相 似, 当进口流量一定时, 对于所有出口流量, 磁场 间隙内氧体积分数增量的最大值出现在间隙出口 截面 X/ ( W/2) =0.789 附近.磁场间隙内各取 样点的氧体积分数以及从流量计 2 流出气体的氧 体积分数随着出口流量的增加, 先增大后减小, 当 出口流量 Q2 =20 mL·min -1时, 磁场间隙内各点 的氧体积分数增量达到最大, 且最大增量达到了 0.72 %(图 9 中 A 点所示), 而从流量计 2 流出气 体的氧体积分数的增量也达到最大值 0.44 %(图 11 所示) .这表明在进口流量一定的情况下, 出 口流量存在一个最佳值, 其原因与前面的分析类 似.在出口流量一定的情况下, 进口流量同样也 存在一个最佳值, 因此可以推断出进口流量与出 口流量之间存在一个最佳比例 .根据图 6 ～ 11, 在 本文的实验条件下, Q1/ Q2 的最佳比例在 2.0 左 右. 图10 不同出口流量 Q2 条件下磁场间隙内 Z 轴( X =0) 上 各点的氧体积分数增量的变化 Fig.10 Changes of the increment of oxygen volume fraction a￾long the axis Z ( X=0) under different outl et flow Q2 图 11 从流量计 2 流出气体的氧体积分数增量随出口流量 Q2 的变化 Fig.11 Changes of the increment of oxygen volume fraction of gas flowing through Flowmeter 2 with outlet flow Q2 文献[ 13] 利用磁性金属丝过滤器来捕获空气 中的氧分子.其原理为 :利用外部磁场磁化金属 丝, 在金属丝的表面附近形成很高的场强梯度, 对 氧分子产生很强的吸引力, 当空气通过过滤器时, 该吸引力把氧分子束缚在金属丝的表面附近, 其 结果为过虑器内的气体的氧体积分数增加了 0.4 %.该方法主要存在两个方面的不足, 一是整 个过程不连续, 二是磁性金属丝对氧的吸附存在 · 1062 · 北 京 科 技 大 学 学 报 2006 年第 11 期