Расчет МГД-насоса наружного расположения для перекачки свинца

Диплом - приложение.docx

Вид магнит-ного поля
Способ возбуж-дения
Вид движения металла
Схематическое изображение насоса
Требуется ли контак-тирование
Насосы с бегущим (вращаю-щимся) магнит-
Плоский индукционный насос с односторонним индуктором
Плоский индукционный насос с двусторонним индуктором
Цилиндрический индукционный насос с односторонним индуктором
Цилиндрический индукционный насос с двусторонним индуктором
Цилиндрический индукционный насос без внутреннего магнитопровода
Индукционный насос без магнитного зазора
Спиральный индукционный насос с односторонним индуктором
Спиральный индукционный насос с двусторонним индуктором
Центробежный индукционный насос
Центробежный индукционный насос с по-стоянными магнитами
Вращаю-щиеся постоянные электро-магниты
Спиральный насос с постоянными магнитами
Вращаю-щиеся постоян-ные электро-магниты
Спиральный насос с электромагнитами
Насосы с пульси-рующим магнит-ным полем
Насос рассеянного поля
Насос трансформаторный

Диплом.docx

В квалификационной работе выполнен расчет МГД-насоса наружного расположения для перекачки свинца.
Квалификационная работа состоит из двух частей.
В первой части производится анализ видов МГД-насосов для определения более подходящего варианта.
Во второй части выполняется непосредственный расчет насоса.
Квалификационная работа изложена на _ страницах имеет _ рисунков _ таблиц список наименований литературы состоящий из _ источников и _ приложений.
TOC o "1-3" h z u 1.Введение. PAGEREF _Toc421220804 h 4
Принцип действия. PAGEREF _Toc421220805 h 7
1.Классификация МГД-насосов. PAGEREF _Toc421220806 h 10
Техническое задание. PAGEREF _Toc421220807 h 34
Расчет. PAGEREF _Toc421220808 h 36
1.Расчет индуктора. PAGEREF _Toc421220809 h 36
2.Тепловой расчет канала. PAGEREF _Toc421220810 h 46
Заключение. PAGEREF _Toc421220811 h 48
Приложение. PAGEREF _Toc421220812 h 49
Литература. PAGEREF _Toc421220813 h 50
МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ НАСОС (МГД-насос - электромагнитный насос) предназначен для перемещения электропроводящих жидкостей (напр. жидких металлов) под воздействием магнитного поля.
Под магнитогидродинамическими устройствами с жидкометаллическим рабочим телом обычно понимаются устройства в которых на движущийся по проточным трактам жидкий металл воздействует магнитное поле. Основным назначением МГД-устройств как правило является обеспечение перемещения и управление потоками жидких металлов (МГД насосы и дроссели) или измерение величин этих потоков (расходомеры). В ядерной энергетике МГД-устройства нашли широкое применение в связи с развитием реакторов на быстрых нейтронах. Более высокая плотность энерговыделения в этих реакторах необходимость применения теплоносителей с низкими замедляющими свойствами определили выбор в качестве теплоносителя таких реакторов жидкие металлы. МГД-насосы нашли успешное применение во вспомогательных системах реакторных установок на быстрых нейтронах БОР-60 БН-350 БН-600 и в основных контурах реактора БР-10.
Основными преимуществами МГД-насосов перед механическими насосами являются: полная герметичность проточного тракта надежность и практическое отсутствие необходимости обслуживания простота и удобство регулирования подачи (расхода жидкого металла) отсутствие ограничений по месту расположения в контуре малое избыточное давление на всасе. В настоящее время закончено изготовление МГД-насосов для реакторной установки БН-800 ведется разработка для БН-1200.
Наиболее широко в ядерных установках используются МГД-машины индукционного типа. Индукционные насосы не требуют больших токов и могут работать при промышленной частоте тока. Они используются для перекачки жидкого натрия в атомных установках атомных энергетических установках подводных лодок военных кораблей крупнотоннажных судов и т.д. Как и кондукционные насосы они могут работать при высоких температурах (до 1000°С) при высокой производительности. Электромагнитные насосы могут успешно применяться в качестве дозаторов и вентилей в литейном деле в атомной энергетике и химической промышленности.
Бесконтактное воздействие на металл и легкость управления и автоматизации делают их применение очень перспективным делом. Индукционные насосы применяются и для пайки печатных плат волной жидкого припоя (олова) над поверхностью ванны с припоем.
В ядерной энергетике большое применение получили цилиндрические МГД-машины с внутренним ферромагнитным сердечником. Однако особенности расчета цилиндрических МГД-машин связаны с наличием нескольких характерных признаков отличающих эти машины от плоских линейных. Прежде всего линии тока во вторичной среде таких машин при однородном по азимуту профилю скорости среды есть замкнутые окружности поэтому в цилиндрическом канале отсутствует поперечный краевой эффект. Далее в таких машинах используется односторонне возбуждение – обмотка располагается с одной как правило наружной стороны канала. Индукция магнитного поля в цилиндрической машине уменьшается сильнее по высоте зазора чем в плоской при одинаковых немагнитных зазорах.
Одностороннее возбуждение приводит также к тому что линейная токовая нагрузка в цилиндрической машине примерно в 2 раза меньше чем в плоской. В результате при одинаковых немагнитных зазорах в цилиндрической машине в 2 раза меньше индукция и примерно в 4 раза меньше давление развиваемое на единицу длины при прочих равных условиях.
Принцип действия большинства МГД-устройств основан на использовании электромагнитных сил. Эта сила действующая на проводник с током помещенный в магнитное поле. Направление электромагнитной силы определяется правилом левой руки. Область МГД-устройства в которой возбуждаются электромагнитные силы называется рабочей или активной зоной.
Электрический ток может подводиться к жидкому металлу извне кондукционным (контактным) способом или возбуждаться в металле индукционным (бесконтактным) способом с помощью переменного электромагнитною ноля. Отсюда МГД-устройства можно разделить на два класса - кондукционные и индукционные.
В МГД-насосах предназначенных для перекачивания жидкого металла из одной емкости в другую электромагнитные силы в рабочей зоне создают электромагнитное давление. Такие МГД-устройства называются напорными. Обычно в насосах длина рабочей зоны намного меньше длины канала по которому транспортируется жидкий металл. МГД-насосы как и обычные электрические машины являются обратимыми и могут работать в режимах двигателя (насоса) генератора и тормоза. В режиме насоса электромагнитное давление или разность давлений по концам рабочей зоны преодолевая гидравлическое сопротивление металлотракта приводит металл в движение. В этом случае подводимая к рабочей зоне электромагнитная энергия преобразуется в механическую энергию движущегося жидкого металла. Производительность насоса определяется расходом жидкого металла в единицу времени Q. который равен произведению сечения канала на среднюю скорость металла в этом сечении.
Если жидкий металл в канале приводить в движение силами неэлектрического происхождения например силами тяжести то возможны генераторный и тормозной режимы работы МГД-насоса. В первом случае электромагнитная система рабочей зоны выдает электрическую энергию. Во втором случае электромагнитная система формирует в рабочей зоне электромагнитные силы направленные против движения металла. В рабочей зоне создается противодавление препятствующее или полностью прекращающее движение жидкого металла в канале. В таком режиме работает МГД-насос-дозатор осуществляющий автоматическое регулирование скоростью подачи расплава из раздаточного миксера. Когда уровень расплава в миксере большой то МГД-устройство работает в режиме тормоза. Когда уровень расплава в миксере становится мал и силы тяжести не в состоянии обеспечивать расход расплава в желобах необходимый для работы литейной машины с заданной производительностью МГД-устройство работает в режиме насоса.
В кондукционных МГД-насосах рабочая зона является местом пересечения независимых электрической и магнитной цепей. Поэтому в рабочей зоне таких устройств можно получить относительно большие значения плотности тока J и магнитной индукции В. Кондукционные МГД-насосы могут работать как на постоянных так и переменных электрическом токе и магнитном поле. В любом случае магнитное поле «неподвижно» относительно стенок канала.
Классификация МГД-насосов.
Индукционные МГД-насосы:
Принцип действия индукционных МГД-насосов аналогичен асинхронным электрическим машинам. В этих устройствах электрические токи в рабочей зоне канала индуктируются бегущим магнитным полем электрическая связь между расплавом и внешней электрической цепью отсутствуют и стенки каналов могут быть неэлектропроводящими. Рабочая зона индукционных МГД-насосов может иметь цилиндрическую или прямоугольную форму. Индукторы - источники бегущего магнитного поля также выполняются цилиндрическими или плоскими. Плоские индукторы могут иметь два ферромагнитных сердечника расположенных по обе стороны прямоугольного канала или один сердечник расположенный с одной стороны канала. В пазах сердечников расположена трехфазная или двухфазная обмотка аналогичная обмоткам нормальных асинхронных машин. Многофазная обмотка питаемая сдвинутыми но фазе токами и создает бегущее магнитное поле. Такие индукторы являются неподвижными относительно рабочей зоны канала. Бегущее магнитное поле можно также получить движущимися вблизи рабочей зоны постоянными магнитами.
Линейный индукционный насос с плоским каналом.
Рис. 1. Схема конструкции плоского линейного индукционного насоса:
– индуктор; 2 – обмотка; 3 – канал; 4 – внутренний сердечник; 5 – коротко-замыкающая шина.
Обычно выполняется с двусторонним расположением индукторов относительно плоского слоя жидкого металла (рис. 1) заключенного в канале огнеупорной трубы. Для уменьшения расстояния между индукторами («воздушного» зазора) от которого сильно зависят электрические показатели индуктора труба имеет сплющенную форму с каналом сильно вытянутого сечения. Металл заполняющий канал представляет собой жидкую проводящую полосу находящуюся в бегущем магнитном поле.
Ограниченная ширина этой полосы приводит к тому что в работе плоского линейного индукционного насоса весьма важную роль играет поперечный краевой эффект сущность которого будет пояснена ниже.
С возникновением атомной энергетики весьма актуальной стала задача перекачивания жидкометаллических теплоносителей. Индукционные насосы оказались удобным средством решения этой задачи и получили широкое распространение.
Канал индукционных насосов энергетического назначения обычно выполняется из тонколистовой (05 - 1 мм) хромоникелевой стали например 1Х18Н9Т являющейся немагнитной и обладающей высоким удельным сопротивлением.
Магнитные стали непригодны для изготовления канала (для рабочих температур ниже точки Кюри) так как при этом значительная часть магнитного потока индуктора могла бы замыкаться по стенке канала не заходя в жидкий металл. Высокое удельное сопротивление хромоникелевой стали уменьшает потерю электроэнергии на вихревые токи индуктированные в стенках канала. Кроме того хромоникелевые аустенитные стали обладают повышенными механическими свойствами при высоких температурах и окалиностойкостью.
Для уменьшения поперечного краевого эффекта канал делают достаточно широким (отношение сторон сечения канала 1:20 и более). По краям канала часто помещают короткозамыкающие шины. Для предотвращения «раздувания» плоского канала силами внутреннего давления в стенки канала вваривают продольные внутренние ребра разделяющие его на ряд параллельных каналов меньшей ширины.
Возможность применения металла в качестве материала стенок канала обусловлена малой агрессивностью щелочных металлов по отношению к конструкционным металлам и малым контактным сопротивлением току на переходах жидкий металл - шина и жидкий металл - ребро - жидкий металл.
Между каналом и магнитопроводом помещается слой теплоизоляционного материала уменьшающий тепловые потери жидкого металла и нагрев магнитопровода.
Магнитопровод набирается из листов электротехнической стали толщиной 035 - 0.5 мм в которых штамповкой или фрезерованием (в собранном пакете) делаются пазы для обмотки. Для уменьшения потерь на вихревые токи в магнитопроводе отдельные его листы изолируют друг от друга чаще всего слоем изоляционного лака.
Обмотка обычно выполняется двуслойного типа как и в большинстве современных электродвигателей. В качестве материала обмотки используют провода с термостойкой изоляцией; как правило предусматривается форсированное охлаждение обмотки иногда водяное. Обмотка индуктора плоского индукционного насоса как и контуры индукционных токов в заполняющем его канал жидком металле; имеют неактивные так называемые лобовые части бесполезно увеличивающие активное и реактивное сопротивление обмотки.
Цилиндрический линейный индукционный насос
Рис. 2. Схема конструкции цилиндрического линейного индукционного насоса:
Цилиндрический линейный индукционный насос отличается тем что в нем жидкий металл находится в поле индуктора в виде цилиндрического слоя с кольцевым поперечным сечением (рис. 2). Такая форма слоя получается при использовании в качестве канала для жидкого металла кольцевого пространства между двумя концентрическими трубами.
Бегущее магнитное поле создается системой кольцевых катушек надетых на наружную трубу и поочередно (по длине насоса) присоединенных к различным фазам трехфазной сети. Магнитное поле должно пронизывать кольцевой зазор занятый жидким металлом в радиальном направлении. Для этого внутри внутренней трубы обычно помещается железный сердечник а вдоль наружной трубы укладываются шихтованные магнитопроводы с пазами в которые входят катушки обмотки. В поперечном сечении магнитная система цилиндрического линейного индукционного насоса имеет вид многолучевой звезды.
В цилиндрическом линейном индукционном насосе отсутствуют как неактивные участки в контурах индукционных токов в жидком металле так и лобовые части обмоток. Поэтому цилиндрические линейные индукционные насосы имеют лучшие энергетические показатели что связано однако со значительным усложнением конструкции.
Конструктивным и технологическим преимуществом цилиндрического линейного индукционного насоса является то что в нем огнеупорная труба имеет круглое сечение. В случае металлических труб это позволяет допускать значительно большие давления чем в плоских трубах. Один из насосов такого типа запроектирован автором на внутреннее давление 75 атм. Круглые керамические трубы можно изготовлять большей длины чем плоские без соединений внутри насоса так как заготовки круглых труб меньше коробятся при обжиге.
В цилиндрическом насосе для перекачивания жидких металлов с температурой выше точки Кюри для железа (~ 760° С) необходимо охлаждать внутренний сердечник что связано со значительными конструктивными трудностями. Это существенно ограничивает перспективы применения цилиндрических линейных насосов в металлургическом и литейном производстве.
В некоторых случаях преимущества связанные с круглым сечением огнеупорной трубы имеют настолько большое значение что оправдывают применение цилиндрического линейного индукционного насоса даже когда по условиям охлаждения приходится отказаться от внутреннего магнитного сердечника. Это разумеется сильно ухудшает эффективность насоса так как для создания магнитного поля с той же величиной индукции требуется значительно больше ампервитков а следовательно мощность индуктора должна быть больше даже по сравнению с насосом плоского линейного типа.
Наиболее эффективным с этой точки зрения был бы цилиндрический линейный индукционный насос в котором вообще не было бы внутреннего сердечника т. е. в канале которого металл находился бы в виде жидкого сплошного цилиндра. Однако практическому созданию такого насоса долгое время мешало преувеличение роли обратных течений металла в осевой части трубы где радиальная составляющая индукция магнитного поля спадает до нуля.
В результате сравнения различных типов индукционных насосов с точки зрения применимости для металлургических целей в большинстве случаев приходится отдать предпочтение индукционный насосам плоского линейного типа. Меньший коэффициент полезного действия их (по сравнению с цилиндрическими насосами с внутренним магнитным сердечником) полностью окупается простотой конструкции благоприятными условиями охлаждения индуктора и удобством монтажа и замены огнеупорной трубки (в разъемных индукторах).
Линейный МГД-насос с винтовым каналом.
Рис. 3. Схема конструкции винтового линейного индукционного насоса:
МГД-машины с винтовыми каналами имеют обмотку по типу статора асинхронной машины создающую вращающееся магнитное поле и канал обеспечивающий винтообразное движение жидкого металла. Замкнутость магнитной системы с обмоткой исключает продольный концевой эффект связанный с их разомкнутостью в линейных системах. Влияние входа металла в магнитное поле и выхода из него на интегральные характеристики невелико в связи с малым отношением ширины элементарного канала к длине взаимодействия 2pnn где n — число элементарных каналов. Это обстоятельство существенно упрощает расчет винтовых МГД-машин.
Однако существует ряд особенностей винтовых каналов требующих дополнительного учета: 1) направление скорости движения жидкого металла составляет некоторый угол с направлением движения бегущего магнитного поля; 2) элементарные каналы разделены электропроводящими перегородками находящимися в области магнитного поля; 3) профиль скорости жидкого металла по высоте канала в силу его кривизны существенно несимметричен.
Кондукционные МГД-насосы:
В кондукционных МГД-насосах рабочая зона является местом пересечения независимых электрической - 2 и магнитной цепей - 1. Поэтому в рабочей зоне таких устройств можно получить относительно большие значения плотности тока J и магнитной индукции В. Кондукционные МГД-насосы могут работать как на постоянных так и переменных электрическом токе и магнитном поле. В любом случае магнитное поле «неподвижно» относительно стенок канала.
Рис. 4. МГД-канал – пересечение магнитной электрической и гидравлической цепей.
Кондукционный МГД-насос постоянного тока с плоским каналом.
Рис. 5. Схема конструкции плоского кондукционного насоса:
– магнитопровод; 2 – обмотка возбуждения; 3 – канал; 4 – токоподводящие электроды; 5 – компенсационная шина.
Кондукционный МГД-насос постоянного тока с дисковым каналом.
Рис. 6. Схема конструкции дискового кондукционного насоса:
– магнитопровод; 2 – обмотка возбуждения; 3 – канал; 4 – токоподводящие электроды.
Кондукционный МГД-насос с винтовым каналом.
Рис. 7. Схема конструкции винтового кондукционного насоса:
– магнитная система; 2 – ферромагнитный экран; 3 – сквозной канал; 4 5 – коаксиальные стенки; 6 – винтовая перегородка.
Изобретение относится к МГД-технике и может быть использовано в установках по перекачиванию жидкости для различных технологических целей. Кроме того его можно использовать в обогревательных системах в качестве электронагревателя жидкости.
Известен магнитогидродинамический дроссель имеющий сходные конструктивные признаки с заявляемым техническим решением. Дроссель содержит явнополюсный индуктор включающий обмотку возбуждения полюса магнитной системы и элемент магнитопровода. Полюса магнитной системы выполнены коаксиально с образованием цилиндрического кольцевого зазора в котором расположены винтовые каналы с жидкой рабочей средой.
Основным недостатком этого устройства можно считать ограниченность его применения так как с его помощью можно лишь регулировать поток жидкого металла.
Известен винтовой электромагнитный насос содержащий многофазный индуктор включающий внутренний магнитопровод выбранный на трубу из листов электротехнической стали и сквозной винтовой канал с коаксиально расположенными наружной и внутренней стенками.
Однако это устройство предназначено только для перекачивания жидкого металла к тому же оно имеет сложную многофазную электромагнитную систему состоящую из наружного и внутреннего магнитопроводов.
Задачей изобретения является создание универсальной конструкции имеющей однофазную магнитную систему и позволяющей перекачивать различные по температуре и электрофизическим свойствам жидкости а также расширение функциональных возможностей за счет выполнения насосом дополнительной функции - нагревателя жидкости.
Поставленная задача решается предложенным винтовым электромагнитным насосом. Как и известное устройство (прототип) он содержит магнитную систему внутри которой расположен сквозной винтовой канал для прохождения рабочей среды. Канал образован коаксиально расположенными наружной и внутренней стенками между которыми размещена винтовая перегородка. Отличие от прототипа заключается в выполнении наружной и внутренней стенок канала в виде электродов а винтовой перегородки - в виде изолятора (т.е. электроизоляционной). В частном случае для уменьшения шунтирования магнитного поля создаваемого магнитной системой наружная и внутренняя стенки выполнены из немагнитного материала.
При таком исполнении с одной стороны отпадает необходимость в многофазной магнитной системе и внутреннем магнитопроводе ) магнитная система может быть выполнена например в виде соленоида с внешним ферромагнитным экраном или без него) а с другой стороны это устройство можно применять для нагрева и перемещения жидкостей в широком диапазоне по электрофизическим свойствам (вода растворы электролиты расплавы и т.д.).
На чертеже схематично изображен заявляемый винтовой электромагнитный насос.
Насос содержит явнополюсную магнитную систему в виде соленоида 1 с ферромагнитным экраном 2 и сквозной канал 3 имеющий наружную стенку 4 коаксиально ей расположенную внутреннюю стенку 5 и промежуточную винтовую перегородку 6 образующие винтовой канал 7 по которому проходит рабочая среда. Наружная 4 и внутренняя 5 стенки выполнены в виде электродов т.е. к ним приложено напряжение а винтовая перегородка выполнена электроизоляционной и является изолятором между стенками 4 и 5.
Насос работает следующим образом.
При подаче напряжения на наружную стенку 4 относительно внутренней 5 в рабочей жидкости протекающей по винтовому каналу 7 возникает ток направление которого перпендикулярно силовым линиям магнитного потока Ф создаваемого соленоидом 1. В результате взаимодействия тока с магнитным полем возникающая электромагнитная сила согласно правилу левой руки перемещает жидкость по винтовому каналу 7. Так как результирующая сил действующих на жидкость достаточно близко совпадает с направлением винтового канала то эти силы будут суммироваться создавая напор в канале. Одновременно протекающий в стенках канала ток нагревает проходящую по винтовому каналу жидкость.
Необходимо отметить что заявленное устройство может работать как на постоянном токе так и на переменном при условии совпадения фаз тока в обмотке соленоида и в жидкости. При этом магнитная система при работе на постоянном токе может быть выполнена с применением постоянных магнитов. Для исключения шунтирования магнитного потока наружная и внутренняя стенки канала могут быть выполнены немагнитными.
Таким образом видно что заявляемый винтовой электромагнитный насос имеет простую конструкцию не требующую многофазной электромагнитной системы. Выполнение стенок канала в виде электродов а винтовой перегородки между ними - в виде изолятора позволяет использовать насос для перекачивания различных жидкостей а также для нагрева жидкостей в обогреваемых системах с принудительным движением жидкого теплоносителя.
Цилиндрический линейный кондукционный насос.
Рис. 8. Схема конструкции цилиндрического линейного кондукционного насоса:
– обечайка; 2 – цилиндрический сердечник; 3 – задающий блок; 4 – первый регулируемый источник постоянного напряжения; 5 – второй регулируемый источник постоянного напряжения; 6 – плоская изолирующая пластина; 7 – первая пара плоских электродов; 8 – вторая пара плоских электродов.
Изобретение относится к насосной технике для перекачивания электропроводных жидкостей и может быть использовано в промышленности и жилищно-коммунальном хозяйстве.
Известен цилиндрический кондукционный насос постоянного тока (Авторское свидетельство СССР №172194 F05B 1964 г.) содержащий цилиндрический канал токоподводящие и компенсационные шины ферромагнитный магнитопровод выполненный многополюсным в виде симметричной разветвленной магнитной цепи.
Недостаток указанного устройства заключается в повышенных энергозатратах обусловленных применением обмотки возбуждения для создания магнитного потока и низкой эффективности вследствие невозможности обеспечить равномерное распределение магнитного потока в цилиндрическом канале с электропроводной жидкостью.
Наиболее близким к заявляемому является «Цилиндрический индукционный насос» (Авторское свидетельство СССР №175824 F05G 1964 г.) принятый за прототип содержащий кольцевой канал образованный обечайкой и внутренним цилиндрическим сердечником.
Недостатком данного технического решения являются высокие энергозатраты на возбуждение магнитного потока в кольцевом канале а также сложность обеспечения регулирования расхода перекачиваемой электропроводной жидкости.
Технический результат предлагаемого устройства заключается в снижении энергозатрат и упрощении процесса регулирования расхода перекачиваемой электропроводной жидкости.
Технический результат достигается тем что цилиндрический линейный кондукционный насос содержит обечайку и внутренний цилиндрический сердечник образующие кольцевой канал плоскую пластину выполненную из изоляционного материала размещенную в кольцевом канале и герметично прикрепленную к цилиндрическому сердечнику выполненному из намагниченного в осевом направлении высококоэрцитивного постоянного магнита по его образующей и к обечайке выполненной из ферромагнитного материала причем цилиндрический сердечник и внутренняя поверхность обечайки имеют химически инертную термостойкую изолирующую оболочку.
При этом на концах плоской пластины в зонах полюсов цилиндрического сердечника с противоположных сторон попарно установлены плоские электроды первая пара плоских электродов подключена к соответствующим выходам первого регулируемого источника постоянного напряжения вторая пара плоских электродов подключена к соответствующим выходам второго регулируемого источника постоянного напряжения а входы первого и второго регулируемых источников постоянного напряжения соединены с соответствующими выходами задающего блока.
Торцевые части цилиндрического сердечника могут быть снабжены наконечниками обтекаемой формы из немагнитного материала.
Торцевым частям цилиндрического сердечника может быть придана обтекаемая форма.
Рис. 9. «Области существования» индукционных электромагнитных насосов различных типов.
Техническое задание.
МГД-насос должен отвечать следующим техническим характеристикам:
Тип насоса: МГД-насос наружного расположения;
Предельные габаритные размеры: ШхВхГ мм – 800х600х600;
Водяное охлаждение обмоток: отсутствует;
Перекачиваемый металл: свинец и его сплавы;
Температура перекачиваемого металла: до 500оС;
Максимальное развиваемое давление: не менее 270 кПа;
Рабочее давление: не менее 70 кПа;
Рабочая производительность: не менее 4.5 тонны свинца в час;
Питание насоса: регулируемый трансформатор – 0 450 В однофазного тока 50 Гц сощность не менее 30 кВА;
Режим работы: непрерывный.
Несмотря на все достоинства цилиндрических машин от них придется отказаться ввиду сложности конструкции неблагоприятными условиями охлаждения индуктора и неудобством монтажа и замены огнеупорной трубки.
Осталось выбрать определенный тип индуктора. Из плоских линейных индукционных насосов можно выделить насос с трубчатой обмоткой и насос с проволочной обмоткой. Принципиальные различия их в том что насос с трубчатой обмоткой используется для перекачки высокотемпературных сплавов (например чугун) а насос с проволочной обмоткой для низкотемпературных сплавов (таких как свинец).
Так как задачей является спроектировать МГД-насос именно для свинца и его сплавов то выбираем индуктор с проволочной обмоткой.
В индукционных насосах проектируемых для металлов имеющих сравнительно небольшую температуру особенно при невысоких требуемых давлениях целесообразно применять индукторы с обмоткой из обычной обмоточной меди – круглого провода или прямоугольной шинки. Отвод тепла от обмотки при этом осуществляется воздушным или косвенным водяным охлаждением.
Такой индуктор обычно рассчитывается на напряжение сети 380220 В и имеет несколько десятков проводников в пазу магнитопровода. Поэтому можно легко и достаточно точно «подогнать» напряжение индуктора к напряжению сети уменьшая или увеличивая число проводников в пазу при одновременном изменении сечения проводника. Здесь изменение числа проводников в пазу почти не влияет на конструкцию индуктора. Кроме того можно выполнить обмотку с нечетным числом пазов на полюс и фазу.
Основные исходные данные:
Жидкий металл – свинец; температура жидкого металла – 500о С; удельное сопротивление ρ =2110-7 Омсм; удельный вес =11.3 гсм3.
Заданная производительность N=4.5 тоннчас; заданное давление D=0.71 кгсм2.
Толщина футеровки и теплоизоляции канала на сторону равна 1 см; частота питающего тока 50 Гц.
Параметры принятые на основании предварительных расчетов:
Число пар полюсов p=1; полюсный шаг обмотки =40; ширина канала трубы c2=30 см; высота канала трубы Δ=1.5 см; воздушный зазор индуктора =5 см; число пазов на полюс и фазу q=4.
Скорость движения бегущего магнитного поля:
с=2f=24050=4000 смсек
Скорость движения жидкого металла:
м=N1063600c2=4.5106360011.3301.5
Величина скольжения:
S=с-мс=4000-2.4584000=0.9
Расчетная длина индуктора:
Коэффициент определяющий влияние индуктивности вторичного контура:
=8fS210-9ρ=8500.91.540210-92.110-51
Коэффициенты Ка и Кр учитывающие ослабление давления от поперечного краевого эффекта и реакции вторичной цепи (жидкого металла) при c=0.375 и c=15 будут равны:
Коэффициент учитывающий рассеяние рабочего магнитного потока:
Кп=cosh2=cosh0.039=1.001
Необходимая индукция магнитного поля в жидком металле:
B=9.81Dρ1014lfSКаКпр=
=9.810.712.11094080500.90.40.9=
Где Кпр – эмпирический коэффициент учитывающий уменьшение давления вследствие нескомпенсированной части продольного краевого эффекта.
Индукция на активной поверхности железа
B0=КпB=1.001504.075=504.464 Гс
Магнитный поток через полюс:
Ф0=4B0c=4513.7640153.14=385400 Мкс
Число последовательных витков на фазу обмотки (без учета коррегирующих катушек) принимая:
=2201084.44КеКобfФ0=
=2201084.442.3940.95850385400=140
Где Коб – обмоточный коэффициент
Коб=sin30оq(sin30оq)=sin30о4(sin30о4)=0.958
Магнитодвижущая сила на один полюс:
=1.08211.0011504.075=437
К'=tztz-2=3.33.3-0.16912=1.082
К''=sinh(2)2=sinh(1240)1240=1
К'''=11-0.0482c=11-0.048130=1.002
=(2bz)5+2bz=(21.7641)1+21.7641=0.503
Намагничивающий ток:
I=pF1.35Коб=14371.351400.958=2.423 А
Число проводников в пазу:
Назначаем размеры паза и сечения проводника:
А) зубцовый шаг магнитопровода
Проводник – медный провод марки ПЭВ-1 диаметром по меди 2.44 с изоляцией толщиной 0.04 мм.
В паз укладывается по высоте 7 ряда провода по 10 в ряду т. е. 70 проводников.
Bz=B0tzbz=5043.30.8=2102 Гс
Активное сопротивление фазы обмотки с учетом коррегирующих катушек:
r=2ρпр+2qSпac2+КфaSпр=
=22.6610-6140+2469.741430+24044.6510-2=
ρпр=1.7510-61+0.004tпр-20=
=1.7510-61+0.004150-20=
Где tпр=150оС – рабочая температура обмотки в градусах Цельсия. Ввиду малой высоты проводника в пазу коэффициент Ка для проволочной обмотки не учитываем.
Коэффициент проводимости рассеяния лобовых частей обмотки:
λл=Aq(Кф-0.64)c=0.165440(2-0.64)15=2.394
A=0.175-100=0.175-1100=0.165
Коэффициент проводимости рассеяния по коронкам зубцов:
λз=12ln24bп2+14+2bпtanhbп=
=12ln1242.5332+14+212.533tanh2.5331
Индуктивное сопротивление рассеяния на фазу:
x=0.158f10010022pqλп+λл+λз=
=0.15850100140100221440.232+2.394-0.064=
Индуктивное сопротивление рабочего потока на фазу:
x0=UКеI=2201.922.423=47.162 Ом
Суммарное индуктивное сопротивление:
x=x+x0=2.952+47.162=50.114 Ом
Полное сопротивление фазы обмотки:
z=r2+x2=0.8782+50.1142=50.122 Ом
Проверка предварительно выбранного значения коэффициента Ке:
Ке'=zx010.35.7=50.12247.16210.35.7=1.92
Активная мощность вторичной цепи:
P2=4clS2f22B2Ка10-16ρ=
=41.515800.92502402504.07520.410-162.110-5=
Реактивная мощность вторичной цепи:
Q=4clS2f22B2Кр10-16ρ=
=41.515800.92502402504.07520.2510-162.110-5=
Гидравлическая мощность:
Pгидр=4clS(1-S)f22B2Ка10-16ρ=
=41.515800.91-0.9502402504.0752
Приведенный активный ток вторичной цепи (ток потерь в жидком металле):
I2а'=P2Ке3US=139201.92532000.9=40.63 А
Приведенный реактивный ток вторичной цепи:
I2р=QКе3US=37011.92532000.9=25.394 А
Фазный ток индуктора:
I1=(I+I2р)2+I2а2=49.24 А
Плотность тока в обмотке:
j=I1aSпр=49.2440.047=264.73 Асм2
Потери в обмотке индуктора:
P1=3I12r=349.2420.878=6384 Вт
Активная мощность индуктора:
P=P1+P2=6384+13920=20310 Вт
S=3UI1=322049.24=32500 ВА
Коэффициент мощности:
cosφ=PS=2031032500=0.625
γгидр=PгидрP=8.56120310=0.0004=0.04%
=P2+PгидрP=13920+8.56120310=0.686=68.2%
Тепловой расчет канала.
Температура расплава: 500оС;
Температура окружающей среды: 40оС;
Коэффициент теплоотдачи стали: 500 Втм2°С;
Коэффициент теплоотдачи футеровки (Вата минеральная легкая): 5.6 Втм2°С;
Коэффициент теплопроводности стали: 35 Втм°С;
Коэффициент теплопроводности футеровки: 0.045 Втм°С;
Толщина металла: 2 мм;
Толщина футеровки: 10 мм.
Q=Тр-Токр1α1+1λ1+2λ2+1α2=500-401500+0.00235+0.010.045+15.6=
Температура первого слоя:
Т1=Тр-Q1α1=500-17741500=496.4
Температура второго слоя:
Т2=Тр-Q1α1+1λ1=500-17741500+0.00235=
Температура третьего слоя:
=500-17741500+0.00235+0.010.045=102
Мощность тепловых потерь:
Qпот=20.80.6Q=20.80.61774=1703 Вт
Температура расплава на выходе:
Тр.вых=Тр+Qэм-QпотcсвQρсв=500+14000-17031300.0001111.3=
Тамоян Г. С. Учебное пособие по курсу "Специальные электрические машины" кафедра ЭлектромеханикиМЭИ (ТУ).
Чайка П. Ю. Исследование ресурса магнитогидро-динамических машин с жидкометаллическим рабочим телом. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. 2012.
Бааке Э Барглик Д Лупи С Киканоров А Павлов Е Павлов С Первухин М Тимофеев В Тимофеев С Хацаюк М Якович А. МГД технологии в металлургии. Интенсивный курс Специализация IV. 2013.
Кашманов И. А. Цилиндрический линейный кондукционный насос. RU 2526373.
Радкевич Н. А. Винтовой электромагнитный насос. RU 2106735.

Чертеж.cdw

Основной вид насоса для перекачки свинца.cdw

Диплом (Автосохраненный).docx

В квалификационной работе выполнен расчет МГД-насоса наружного расположения для перекачки свинца.
Квалификационная работа состоит из четырех частей. В первой части производится анализ видов МГД-насосов для определения более подходящего варианта. Во второй части описано тех. задание проекта. В третьей части выполняется выбор методики расчета и непосредственный расчет насоса. В четвертой представлены рекомендации для проектирования.
Квалификационная работа изложена на 57 страницах имеет 10 рисунков список наименований литературы состоящий из 15 источников и _ приложений.
TOC o "1-3" h z u Обзор публикаций по МГД-насосам PAGEREF _Toc422165603 h 4
Принцип действия и конструкция PAGEREF _Toc422165604 h 7
Классификация МГД-насосов PAGEREF _Toc422165605 h 10
Техническое задание. PAGEREF _Toc422165606 h 34
Математическое моделирование физических процессов в МГД-насосах PAGEREF _Toc422165607 h 35
Выбор методов и постановка задачи PAGEREF _Toc422165608 h 35
Инженерная методика расчета индуктора PAGEREF _Toc422165609 h 37
Тепловой расчет системы «канал-индуктор МГД-насоса» PAGEREF _Toc422165610 h 50
Рекомендации для проектирования опытного образца МГД-насоса PAGEREF _Toc422165611 h 53
Режимы работы PAGEREF _Toc422165612 h 53
Схема включения PAGEREF _Toc422165613 h 53
Чертеж PAGEREF _Toc422165614 h 53
Заключение PAGEREF _Toc422165615 h 54
Список литературы PAGEREF _Toc422165616 h 55
Приложение PAGEREF _Toc422165617 h 57
Обзор публикаций по МГД-насосам
МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ НАСОС (МГД-насос - электромагнитный насос) предназначен для перемещения электропроводящих жидкостей (напр. жидких металлов) под воздействием магнитного поля.
Под магнитогидродинамическими устройствами с жидкометаллическим рабочим телом обычно понимаются устройства в которых на движущийся по проточным трактам жидкий металл воздействует магнитное поле. Основным назначением МГД-устройств как правило является обеспечение перемещения и управление потоками жидких металлов (МГД насосы и дроссели) или измерение величин этих потоков (расходомеры). В ядерной энергетике МГД-устройства нашли широкое применение в связи с развитием реакторов на быстрых нейтронах. Более высокая плотность энерговыделения в этих реакторах необходимость применения теплоносителей с низкими замедляющими свойствами определили выбор в качестве теплоносителя таких реакторов жидкие металлы. МГД-насосы нашли успешное применение во вспомогательных системах реакторных установок на быстрых нейтронах БОР-60 БН-350 БН-600 и в основных контурах реактора БР-10.
Основными преимуществами МГД-насосов перед механическими насосами являются: полная герметичность проточного тракта надежность и практическое отсутствие необходимости обслуживания простота и удобство регулирования подачи (расхода жидкого металла) отсутствие ограничений по месту расположения в контуре малое избыточное давление на всасе. В настоящее время закончено изготовление МГД-насосов для реакторной установки БН-800 ведется разработка для БН-1200.
Наиболее широко в ядерных установках используются МГД-машины индукционного типа. Индукционные насосы не требуют больших токов и могут работать при промышленной частоте тока. Они используются для перекачки жидкого натрия в атомных установках атомных энергетических установках подводных лодок военных кораблей крупнотоннажных судов и т.д. Как и кондукционные насосы они могут работать при высоких температурах (до 1000°С) при высокой производительности. Электромагнитные насосы могут успешно применяться в качестве дозаторов и вентилей в литейном деле в атомной энергетике и химической промышленности.
Бесконтактное воздействие на металл и легкость управления и автоматизации делают их применение очень перспективным делом. Индукционные насосы применяются и для пайки печатных плат волной жидкого припоя (олова) над поверхностью ванны с припоем.
В ядерной энергетике большое применение получили цилиндрические МГД-машины с внутренним ферромагнитным сердечником. Однако особенности расчета цилиндрических МГД-машин связаны с наличием нескольких характерных признаков отличающих эти машины от плоских линейных. Прежде всего линии тока во вторичной среде таких машин при однородном по азимуту профилю скорости среды есть замкнутые окружности поэтому в цилиндрическом канале отсутствует поперечный краевой эффект. Далее в таких машинах используется односторонне возбуждение – обмотка располагается с одной как правило наружной стороны канала. Индукция магнитного поля в цилиндрической машине уменьшается сильнее по высоте зазора чем в плоской при одинаковых немагнитных зазорах.
Одностороннее возбуждение приводит также к тому что линейная токовая нагрузка в цилиндрической машине примерно в 2 раза меньше чем в плоской. В результате при одинаковых немагнитных зазорах в цилиндрической машине в 2 раза меньше индукция и примерно в 4 раза меньше давление развиваемое на единицу длины при прочих равных условиях.
Принцип действия и конструкция
Принцип действия большинства МГД-устройств основан на использовании электромагнитных сил. Эта сила действующая на проводник с током помещенный в магнитное поле. Направление электромагнитной силы определяется правилом левой руки. Область МГД-устройства в которой возбуждаются электромагнитные силы называется рабочей или активной зоной.
Электрический ток может подводиться к жидкому металлу извне кондукционным (контактным) способом или возбуждаться в металле индукционным (бесконтактным) способом с помощью переменного электромагнитною ноля. Отсюда МГД-устройства можно разделить на два класса - кондукционные и индукционные.
В МГД-насосах предназначенных для перекачивания жидкого металла из одной емкости в другую электромагнитные силы в рабочей зоне создают электромагнитное давление. Такие МГД-устройства называются напорными. Обычно в насосах длина рабочей зоны намного меньше длины канала по которому транспортируется жидкий металл. МГД-насосы как и обычные электрические машины являются обратимыми и могут работать в режимах двигателя (насоса) генератора и тормоза. В режиме насоса электромагнитное давление или разность давлений по концам рабочей зоны преодолевая гидравлическое сопротивление металлотракта приводит металл в движение. В этом случае подводимая к рабочей зоне электромагнитная энергия преобразуется в механическую энергию движущегося жидкого металла. Производительность насоса определяется расходом жидкого металла в единицу времени Q. который равен произведению сечения канала на среднюю скорость металла в этом сечении.
Если жидкий металл в канале приводить в движение силами неэлектрического происхождения например силами тяжести то возможны генераторный и тормозной режимы работы МГД-насоса. В первом случае электромагнитная система рабочей зоны выдает электрическую энергию. Во втором случае электромагнитная система формирует в рабочей зоне электромагнитные силы направленные против движения металла. В рабочей зоне создается противодавление препятствующее или полностью прекращающее движение жидкого металла в канале. В таком режиме работает МГД-насос-дозатор осуществляющий автоматическое регулирование скоростью подачи расплава из раздаточного миксера. Когда уровень расплава в миксере большой то МГД-устройство работает в режиме тормоза. Когда уровень расплава в миксере становится мал и силы тяжести не в состоянии обеспечивать расход расплава в желобах необходимый для работы литейной машины с заданной производительностью МГД-устройство работает в режиме насоса.
В кондукционных МГД-насосах рабочая зона является местом пересечения независимых электрической и магнитной цепей. Поэтому в рабочей зоне таких устройств можно получить относительно большие значения плотности тока J и магнитной индукции В. Кондукционные МГД-насосы могут работать как на постоянных так и переменных электрическом токе и магнитном поле. В любом случае магнитное поле «неподвижно» относительно стенок канала.
Классификация МГД-насосов
Индукционные МГД-насосы:
Принцип действия индукционных МГД-насосов аналогичен асинхронным электрическим машинам. В этих устройствах электрические токи в рабочей зоне канала индуктируются бегущим магнитным полем электрическая связь между расплавом и внешней электрической цепью отсутствуют и стенки каналов могут быть неэлектропроводящими. Рабочая зона индукционных МГД-насосов может иметь цилиндрическую или прямоугольную форму. Индукторы - источники бегущего магнитного поля также выполняются цилиндрическими или плоскими. Плоские индукторы могут иметь два ферромагнитных сердечника расположенных по обе стороны прямоугольного канала или один сердечник расположенный с одной стороны канала. В пазах сердечников расположена трехфазная или двухфазная обмотка аналогичная обмоткам нормальных асинхронных машин. Многофазная обмотка питаемая сдвинутыми но фазе токами и создает бегущее магнитное поле. Такие индукторы являются неподвижными относительно рабочей зоны канала. Бегущее магнитное поле можно также получить движущимися вблизи рабочей зоны постоянными магнитами.
Линейный индукционный насос с плоским каналом.
Рис. 1. Схема конструкции плоского линейного индукционного насоса:
– индуктор; 2 – обмотка; 3 – канал; 4 – внутренний сердечник; 5 – коротко-замыкающая шина.
Обычно выполняется с двусторонним расположением индукторов относительно плоского слоя жидкого металла (рис. 1) заключенного в канале огнеупорной трубы. Для уменьшения расстояния между индукторами («воздушного» зазора) от которого сильно зависят электрические показатели индуктора труба имеет сплющенную форму с каналом сильно вытянутого сечения. Металл заполняющий канал представляет собой жидкую проводящую полосу находящуюся в бегущем магнитном поле.
Ограниченная ширина этой полосы приводит к тому что в работе плоского линейного индукционного насоса весьма важную роль играет поперечный краевой эффект сущность которого будет пояснена ниже.
С возникновением атомной энергетики весьма актуальной стала задача перекачивания жидкометаллических теплоносителей. Индукционные насосы оказались удобным средством решения этой задачи и получили широкое распространение.
Канал индукционных насосов энергетического назначения обычно выполняется из тонколистовой (05 - 1 мм) хромоникелевой стали например 1Х18Н9Т являющейся немагнитной и обладающей высоким удельным сопротивлением.
Магнитные стали непригодны для изготовления канала (для рабочих температур ниже точки Кюри) так как при этом значительная часть магнитного потока индуктора могла бы замыкаться по стенке канала не заходя в жидкий металл. Высокое удельное сопротивление хромоникелевой стали уменьшает потерю электроэнергии на вихревые токи индуктированные в стенках канала. Кроме того хромоникелевые аустенитные стали обладают повышенными механическими свойствами при высоких температурах и окалиностойкостью.
Для уменьшения поперечного краевого эффекта канал делают достаточно широким (отношение сторон сечения канала 1:20 и более). По краям канала часто помещают короткозамыкающие шины. Для предотвращения «раздувания» плоского канала силами внутреннего давления в стенки канала вваривают продольные внутренние ребра разделяющие его на ряд параллельных каналов меньшей ширины.
Возможность применения металла в качестве материала стенок канала обусловлена малой агрессивностью щелочных металлов по отношению к конструкционным металлам и малым контактным сопротивлением току на переходах жидкий металл - шина и жидкий металл - ребро - жидкий металл.
Между каналом и магнитопроводом помещается слой теплоизоляционного материала уменьшающий тепловые потери жидкого металла и нагрев магнитопровода.
Магнитопровод набирается из листов электротехнической стали толщиной 035 - 0.5 мм в которых штамповкой или фрезерованием (в собранном пакете) делаются пазы для обмотки. Для уменьшения потерь на вихревые токи в магнитопроводе отдельные его листы изолируют друг от друга чаще всего слоем изоляционного лака.
Обмотка обычно выполняется двуслойного типа как и в большинстве современных электродвигателей. В качестве материала обмотки используют провода с термостойкой изоляцией; как правило предусматривается форсированное охлаждение обмотки иногда водяное. Обмотка индуктора плоского индукционного насоса как и контуры индукционных токов в заполняющем его канал жидком металле; имеют неактивные так называемые лобовые части бесполезно увеличивающие активное и реактивное сопротивление обмотки.
Цилиндрический линейный индукционный насос
Рис. 2. Схема конструкции цилиндрического линейного индукционного насоса:
Цилиндрический линейный индукционный насос отличается тем что в нем жидкий металл находится в поле индуктора в виде цилиндрического слоя с кольцевым поперечным сечением (рис. 2). Такая форма слоя получается при использовании в качестве канала для жидкого металла кольцевого пространства между двумя концентрическими трубами.
Бегущее магнитное поле создается системой кольцевых катушек надетых на наружную трубу и поочередно (по длине насоса) присоединенных к различным фазам трехфазной сети. Магнитное поле должно пронизывать кольцевой зазор занятый жидким металлом в радиальном направлении. Для этого внутри внутренней трубы обычно помещается железный сердечник а вдоль наружной трубы укладываются шихтованные магнитопроводы с пазами в которые входят катушки обмотки. В поперечном сечении магнитная система цилиндрического линейного индукционного насоса имеет вид многолучевой звезды.
В цилиндрическом линейном индукционном насосе отсутствуют как неактивные участки в контурах индукционных токов в жидком металле так и лобовые части обмоток. Поэтому цилиндрические линейные индукционные насосы имеют лучшие энергетические показатели что связано однако со значительным усложнением конструкции.
Конструктивным и технологическим преимуществом цилиндрического линейного индукционного насоса является то что в нем огнеупорная труба имеет круглое сечение. В случае металлических труб это позволяет допускать значительно большие давления чем в плоских трубах. Один из насосов такого типа запроектирован автором на внутреннее давление 75 атм. Круглые керамические трубы можно изготовлять большей длины чем плоские без соединений внутри насоса так как заготовки круглых труб меньше коробятся при обжиге.
В цилиндрическом насосе для перекачивания жидких металлов с температурой выше точки Кюри для железа (~ 760° С) необходимо охлаждать внутренний сердечник что связано со значительными конструктивными трудностями. Это существенно ограничивает перспективы применения цилиндрических линейных насосов в металлургическом и литейном производстве.
В некоторых случаях преимущества связанные с круглым сечением огнеупорной трубы имеют настолько большое значение что оправдывают применение цилиндрического линейного индукционного насоса даже когда по условиям охлаждения приходится отказаться от внутреннего магнитного сердечника. Это разумеется сильно ухудшает эффективность насоса так как для создания магнитного поля с той же величиной индукции требуется значительно больше ампервитков а следовательно мощность индуктора должна быть больше даже по сравнению с насосом плоского линейного типа.
Наиболее эффективным с этой точки зрения был бы цилиндрический линейный индукционный насос в котором вообще не было бы внутреннего сердечника т. е. в канале которого металл находился бы в виде жидкого сплошного цилиндра. Однако практическому созданию такого насоса долгое время мешало преувеличение роли обратных течений металла в осевой части трубы где радиальная составляющая индукция магнитного поля спадает до нуля.
В результате сравнения различных типов индукционных насосов с точки зрения применимости для металлургических целей в большинстве случаев приходится отдать предпочтение индукционный насосам плоского линейного типа. Меньший коэффициент полезного действия их (по сравнению с цилиндрическими насосами с внутренним магнитным сердечником) полностью окупается простотой конструкции благоприятными условиями охлаждения индуктора и удобством монтажа и замены огнеупорной трубки (в разъемных индукторах).
Линейный МГД-насос с винтовым каналом.
Рис. 3. Схема конструкции винтового линейного индукционного насоса:
МГД-машины с винтовыми каналами имеют обмотку по типу статора асинхронной машины создающую вращающееся магнитное поле и канал обеспечивающий винтообразное движение жидкого металла. Замкнутость магнитной системы с обмоткой исключает продольный концевой эффект связанный с их разомкнутостью в линейных системах. Влияние входа металла в магнитное поле и выхода из него на интегральные характеристики невелико в связи с малым отношением ширины элементарного канала к длине взаимодействия 2pnn где n — число элементарных каналов. Это обстоятельство существенно упрощает расчет винтовых МГД-машин.
Однако существует ряд особенностей винтовых каналов требующих дополнительного учета: 1) направление скорости движения жидкого металла составляет некоторый угол с направлением движения бегущего магнитного поля; 2) элементарные каналы разделены электропроводящими перегородками находящимися в области магнитного поля; 3) профиль скорости жидкого металла по высоте канала в силу его кривизны существенно несимметричен.
Кондукционные МГД-насосы:
В кондукционных МГД-насосах рабочая зона является местом пересечения независимых электрической - 2 и магнитной цепей - 1. Поэтому в рабочей зоне таких устройств можно получить относительно большие значения плотности тока J и магнитной индукции В. Кондукционные МГД-насосы могут работать как на постоянных так и переменных электрическом токе и магнитном поле. В любом случае магнитное поле «неподвижно» относительно стенок канала.
Рис. 4. МГД-канал – пересечение магнитной электрической и гидравлической цепей.
Кондукционный МГД-насос постоянного тока с плоским каналом.
Рис. 5. Схема конструкции плоского кондукционного насоса:
– магнитопровод; 2 – обмотка возбуждения; 3 – канал; 4 – токоподводящие электроды; 5 – компенсационная шина.
Кондукционный МГД-насос постоянного тока с дисковым каналом.
Рис. 6. Схема конструкции дискового кондукционного насоса:
– магнитопровод; 2 – обмотка возбуждения; 3 – канал; 4 – токоподводящие электроды.
Кондукционный МГД-насос с винтовым каналом.
Рис. 7. Схема конструкции винтового кондукционного насоса:
– магнитная система; 2 – ферромагнитный экран; 3 – сквозной канал; 4 5 – коаксиальные стенки; 6 – винтовая перегородка.
Изобретение относится к МГД-технике и может быть использовано в установках по перекачиванию жидкости для различных технологических целей. Кроме того его можно использовать в обогревательных системах в качестве электронагревателя жидкости.
Известен магнитогидродинамический дроссель имеющий сходные конструктивные признаки с заявляемым техническим решением. Дроссель содержит явнополюсный индуктор включающий обмотку возбуждения полюса магнитной системы и элемент магнитопровода. Полюса магнитной системы выполнены коаксиально с образованием цилиндрического кольцевого зазора в котором расположены винтовые каналы с жидкой рабочей средой.
Основным недостатком этого устройства можно считать ограниченность его применения так как с его помощью можно лишь регулировать поток жидкого металла.
Известен винтовой электромагнитный насос содержащий многофазный индуктор включающий внутренний магнитопровод выбранный на трубу из листов электротехнической стали и сквозной винтовой канал с коаксиально расположенными наружной и внутренней стенками.
Однако это устройство предназначено только для перекачивания жидкого металла к тому же оно имеет сложную многофазную электромагнитную систему состоящую из наружного и внутреннего магнитопроводов.
Задачей изобретения является создание универсальной конструкции имеющей однофазную магнитную систему и позволяющей перекачивать различные по температуре и электрофизическим свойствам жидкости а также расширение функциональных возможностей за счет выполнения насосом дополнительной функции - нагревателя жидкости.
Поставленная задача решается предложенным винтовым электромагнитным насосом. Как и известное устройство (прототип) он содержит магнитную систему внутри которой расположен сквозной винтовой канал для прохождения рабочей среды. Канал образован коаксиально расположенными наружной и внутренней стенками между которыми размещена винтовая перегородка. Отличие от прототипа заключается в выполнении наружной и внутренней стенок канала в виде электродов а винтовой перегородки - в виде изолятора (т.е. электроизоляционной). В частном случае для уменьшения шунтирования магнитного поля создаваемого магнитной системой наружная и внутренняя стенки выполнены из немагнитного материала.
При таком исполнении с одной стороны отпадает необходимость в многофазной магнитной системе и внутреннем магнитопроводе ) магнитная система может быть выполнена например в виде соленоида с внешним ферромагнитным экраном или без него) а с другой стороны это устройство можно применять для нагрева и перемещения жидкостей в широком диапазоне по электрофизическим свойствам (вода растворы электролиты расплавы и т.д.).
На чертеже схематично изображен заявляемый винтовой электромагнитный насос.
Насос содержит явнополюсную магнитную систему в виде соленоида 1 с ферромагнитным экраном 2 и сквозной канал 3 имеющий наружную стенку 4 коаксиально ей расположенную внутреннюю стенку 5 и промежуточную винтовую перегородку 6 образующие винтовой канал 7 по которому проходит рабочая среда. Наружная 4 и внутренняя 5 стенки выполнены в виде электродов т.е. к ним приложено напряжение а винтовая перегородка выполнена электроизоляционной и является изолятором между стенками 4 и 5.
Насос работает следующим образом.
При подаче напряжения на наружную стенку 4 относительно внутренней 5 в рабочей жидкости протекающей по винтовому каналу 7 возникает ток направление которого перпендикулярно силовым линиям магнитного потока Ф создаваемого соленоидом 1. В результате взаимодействия тока с магнитным полем возникающая электромагнитная сила согласно правилу левой руки перемещает жидкость по винтовому каналу 7. Так как результирующая сил действующих на жидкость достаточно близко совпадает с направлением винтового канала то эти силы будут суммироваться создавая напор в канале. Одновременно протекающий в стенках канала ток нагревает проходящую по винтовому каналу жидкость.
Необходимо отметить что заявленное устройство может работать как на постоянном токе так и на переменном при условии совпадения фаз тока в обмотке соленоида и в жидкости. При этом магнитная система при работе на постоянном токе может быть выполнена с применением постоянных магнитов. Для исключения шунтирования магнитного потока наружная и внутренняя стенки канала могут быть выполнены немагнитными.
Таким образом видно что заявляемый винтовой электромагнитный насос имеет простую конструкцию не требующую многофазной электромагнитной системы. Выполнение стенок канала в виде электродов а винтовой перегородки между ними - в виде изолятора позволяет использовать насос для перекачивания различных жидкостей а также для нагрева жидкостей в обогреваемых системах с принудительным движением жидкого теплоносителя.
Цилиндрический линейный кондукционный насос.
Рис. 8. Схема конструкции цилиндрического линейного кондукционного насоса:
– обечайка; 2 – цилиндрический сердечник; 3 – задающий блок; 4 – первый регулируемый источник постоянного напряжения; 5 – второй регулируемый источник постоянного напряжения; 6 – плоская изолирующая пластина; 7 – первая пара плоских электродов; 8 – вторая пара плоских электродов.
Изобретение относится к насосной технике для перекачивания электропроводных жидкостей и может быть использовано в промышленности и жилищно-коммунальном хозяйстве.
Известен цилиндрический кондукционный насос постоянного тока (Авторское свидетельство СССР №172194 F05B 1964 г.) содержащий цилиндрический канал токоподводящие и компенсационные шины ферромагнитный магнитопровод выполненный многополюсным в виде симметричной разветвленной магнитной цепи.
Недостаток указанного устройства заключается в повышенных энергозатратах обусловленных применением обмотки возбуждения для создания магнитного потока и низкой эффективности вследствие невозможности обеспечить равномерное распределение магнитного потока в цилиндрическом канале с электропроводной жидкостью.
Наиболее близким к заявляемому является «Цилиндрический индукционный насос» (Авторское свидетельство СССР №175824 F05G 1964 г.) принятый за прототип содержащий кольцевой канал образованный обечайкой и внутренним цилиндрическим сердечником.
Недостатком данного технического решения являются высокие энергозатраты на возбуждение магнитного потока в кольцевом канале а также сложность обеспечения регулирования расхода перекачиваемой электропроводной жидкости.
Технический результат предлагаемого устройства заключается в снижении энергозатрат и упрощении процесса регулирования расхода перекачиваемой электропроводной жидкости.
Технический результат достигается тем что цилиндрический линейный кондукционный насос содержит обечайку и внутренний цилиндрический сердечник образующие кольцевой канал плоскую пластину выполненную из изоляционного материала размещенную в кольцевом канале и герметично прикрепленную к цилиндрическому сердечнику выполненному из намагниченного в осевом направлении высококоэрцитивного постоянного магнита по его образующей и к обечайке выполненной из ферромагнитного материала причем цилиндрический сердечник и внутренняя поверхность обечайки имеют химически инертную термостойкую изолирующую оболочку.
При этом на концах плоской пластины в зонах полюсов цилиндрического сердечника с противоположных сторон попарно установлены плоские электроды первая пара плоских электродов подключена к соответствующим выходам первого регулируемого источника постоянного напряжения вторая пара плоских электродов подключена к соответствующим выходам второго регулируемого источника постоянного напряжения а входы первого и второго регулируемых источников постоянного напряжения соединены с соответствующими выходами задающего блока.
Торцевые части цилиндрического сердечника могут быть снабжены наконечниками обтекаемой формы из немагнитного материала.
Торцевым частям цилиндрического сердечника может быть придана обтекаемая форма.
Рис. 9. «Области существования» индукционных электромагнитных насосов различных типов.
Техническое задание.
МГД-насос должен отвечать следующим техническим характеристикам:
Тип насоса: МГД-насос наружного расположения;
Предельные габаритные размеры: ШхВхГ мм – 800х600х600;
Водяное охлаждение обмоток: отсутствует;
Перекачиваемый металл: свинец и его сплавы;
Температура перекачиваемого металла: до 500оС;
Максимальное развиваемое давление: не менее 270 кПа;
Рабочее давление: не менее 70 кПа;
Рабочая производительность: не менее 4.5 тонны свинца в час;
Питание насоса: регулируемый трансформатор – 0 450 В однофазного тока 50 Гц сощность не менее 30 кВА;
Режим работы: непрерывный.
Математическое моделирование физических процессов в МГД-насосах
Выбор методов и постановка задачи
Несмотря на все достоинства цилиндрических машин которые были представлены выше от них придется отказаться ввиду сложности конструкции неблагоприятными условиями охлаждения индуктора и неудобством монтажа и замены огнеупорной трубки.
Осталось выбрать определенный тип индуктора. Из плоских линейных индукционных насосов можно выделить насос с трубчатой обмоткой и насос с проволочной обмоткой. Принципиальные различия их в том что насос с трубчатой обмоткой используется для перекачки высокотемпературных сплавов (например чугун) а насос с проволочной обмоткой для низкотемпературных сплавов (таких как свинец).
Так как задачей является спроектировать МГД-насос именно для свинца и его сплавов то выбираем индуктор с проволочной обмоткой.
В индукционных насосах проектируемых для металлов имеющих сравнительно небольшую температуру особенно при невысоких требуемых давлениях целесообразно применять индукторы с обмоткой из обычной обмоточной меди – круглого провода или прямоугольной шинки. Отвод тепла от обмотки при этом осуществляется воздушным или косвенным водяным охлаждением.
Такой индуктор обычно рассчитывается на напряжение сети 380220 В и имеет несколько десятков проводников в пазу магнитопровода. Поэтому можно легко и достаточно точно «подогнать» напряжение индуктора к напряжению сети уменьшая или увеличивая число проводников в пазу при одновременном изменении сечения проводника. Здесь изменение числа проводников в пазу почти не влияет на конструкцию индуктора. Кроме того можно выполнить обмотку с нечетным числом пазов на полюс и фазу.
Инженерная методика расчета индуктора
Основные исходные данные:
Жидкий металл – свинец; температура жидкого металла – 500о С; удельное сопротивление ρ =2110-7 Омсм; удельный вес =11.3 гсм3.
Заданная производительность N=4.5 тоннчас; заданное давление D=0.71 кгсм2.
Толщина футеровки и теплоизоляции канала на сторону равна 1 см; частота питающего тока 50 Гц.
Параметры принятые на основании предварительных расчетов:
Число пар полюсов p=1; полюсный шаг обмотки =40; ширина канала трубы c2=30 см; высота канала трубы Δ=1.5 см; воздушный зазор индуктора =5 см; число пазов на полюс и фазу q=4.
Скорость движения бегущего магнитного поля:
с=2f=24050=4000смсек
Скорость движения жидкого металла:
м=N1063600c2=4.5106360011.3301.5=
Величина скольжения:
S=с-мс=4000-2.4584000=0.9
Расчетная длина индуктора:
Коэффициент определяющий влияние индуктивности вторичного контура:
=8500.91.540210-92.110-51=45.686
Коэффициенты Ка и Кр учитывающие ослабление давления от поперечного краевого эффекта и реакции вторичной цепи (жидкого металла) при c=0.375 и c=15 будут равны:
Коэффициент учитывающий рассеяние рабочего магнитного потока:
Кп=cosh2=cosh0.039=1.001
Необходимая индукция магнитного поля в жидком металле:
B=9.81Dρ1014lfSКаКпр=
=9.810.712.11094080500.90.40.9=504.075 Гс
Где Кпр – эмпирический коэффициент учитывающий уменьшение давления вследствие нескомпенсированной части продольного краевого эффекта.
Индукция на активной поверхности железа
B0=КпB=1.001504.075=504.464 Гс
Магнитный поток через полюс:
Ф0=4B0c=4513.7640153.14
Число последовательных витков на фазу обмотки (без учета коррегирующих катушек) принимая:
=2201084.44КеКобfФ0=
=2201084.442.3940.95850385400=140
Где Коб – обмоточный коэффициент
Коб=sin30оq(sin30оq)=sin30о4(sin30о4)=0.958
Магнитодвижущая сила на один полюс:
=1.08211.0011504.075=437
К'=tztz-2=3.33.3-0.16912=1.082
К''=sinh(2)2=sinh(1240)1240=1
К'''=11-0.0482c=11-0.048130=1.002
=(2bz)5+2bz=(21.7641)1+21.7641=0.503
Намагничивающий ток:
I=pF1.35Коб=14371.351400.958
Число проводников в пазу:
Назначаем размеры паза и сечения проводника:
А) зубцовый шаг магнитопровода
Проводник – медный провод марки ПЭВ-1 диаметром по меди 2.44 с изоляцией толщиной 0.04 мм.
В паз укладывается по высоте 8 ряда провода по 9 в ряду т. е. 70 проводников.
Bz=B0tzbz=5043.30.8=2102 Гс
Активное сопротивление фазы обмотки с учетом коррегирующих катушек:
r=2ρпр+2qSпac2+КфaSпр=
0+2469.741430+24044.6510-2=
ρпр=1.7510-61+0.004tпр-20=
=1.7510-61+0.004150-20=
Где tпр=150оС – рабочая температура обмотки в градусах Цельсия. Ввиду малой высоты проводника в пазу коэффициент Ка для проволочной обмотки не учитываем.
Коэффициент проводимости рассеяния лобовых частей обмотки:
=0.165440(2-0.64)15=2.394
A=0.175-100=0.175-1100=0.165
Коэффициент проводимости рассеяния по коронкам зубцов:
λз=12ln24bп2+14++2bпtanhbп=
=12ln1242.5332+14++212.533tanh2.5331
Индуктивное сопротивление рассеяния на фазу:
=0.1585010014010022144
Индуктивное сопротивление рабочего потока на фазу:
x0=UКеI=2201.922.423=47.162 Ом
Суммарное индуктивное сопротивление:
x=x+x0=2.952+47.162=50.114 Ом
Полное сопротивление фазы обмотки:
z=r2+x2=0.8782+50.1142=
Проверка предварительно выбранного значения коэффициента Ке:
Ке'=zx010.35.7=50.12247.16210.35.7=1.92
Активная мощность вторичной цепи:
P2=4clS2f22B2Ка10-16ρ=
=418000.92502402504.07520.42.110-5
Реактивная мощность вторичной цепи:
Q=4clS2f22B2Кр10-16ρ=
=418000.92502402504.07520.252.110-5
Гидравлическая мощность:
Pгидр=4clS(1-S)f22B2Каρ1016=
=41.515800.91-0.9502402
4.07520.42.11011=8.561 Вт
Приведенный активный ток вторичной цепи (ток потерь в жидком металле):
I2а'=P2Ке3US=139201.92532000.9=40.63 А
Приведенный реактивный ток вторичной цепи:
I2р=QКе3US=37011.92532000.9=25.394 А
Фазный ток индуктора:
I1=(I+I2р)2+I2а2=49.24 А
Плотность тока в обмотке:
j=I1aSпр=49.2440.047=264.73 Асм2
Потери в обмотке индуктора:
P1=3I12r=349.2420.878=6384 Вт
Активная мощность индуктора:
P=P1+P2=6384+13920=20310 Вт
S=3UI1=322049.24=32500 ВА
Коэффициент мощности:
cosφ=PS=2031032500=0.625
γгидр=PгидрP=8.56120310=0.0004=0.04%
=P2+PгидрP=13920+8.56120310=0.686
Тепловой расчет системы «канал-индуктор МГД-насоса»
Температура расплава: 500оС; Температура окружающей среды: 40оС; Коэффициент теплоотдачи стали: 500 Втм2°С; Коэффициент теплоотдачи футеровки (Вата минеральная легкая): 5.6 Втм2°С; Коэффициент теплопроводности стали: 35 Втм°С; Коэффициент теплопроводности футеровки: 0.045 Втм°С; Толщина металла: 2 мм; Толщина футеровки: 10 мм.
Q=Тр-Токр1α1+1λ1+2λ2+1α2=
=500-401500+0.00235+0.010.045+15.6=
Температура первого слоя:
Т1=Тр-Q1α1=500-17741500=
Температура второго слоя:
=500-17741500+0.00235=
Температура третьего слоя:
=500-17741500+0.00235+0.010.045=
Мощность тепловых потерь:
Qпот=20.80.6Q=20.80.61774=
Температура расплава на выходе:
Тр.вых=Тр+Qэм-QпотcсвQρсв=
=500+14000-17031300.0001111.3=575
Первоначальный расчет проводился без учета охлаждения. И температура на поверхности футеровки была порядка 300 . После добавления условий охлаждения а именно воздушное со скоростью 14 Кмч . Итоговая температура получилась приемлемой равной 102 на поверхности футеровки. Выбранные проводники с данной изоляцией могут работать в таких условиях в течение _ часов не требуя замены.
Рекомендации для проектирования опытного образца МГД-насоса
Единственным рабочим режимом является непрерывный (круглосуточный) режим работы.
Рис. 10 – Схема включения МГД-насоса в сеть.
Питание насоса осуществляется регулируемым трансформатором ТР – 0-450 В однофазного тока частотой 50 Гц. Мощность не менее 30 КВА.
Чертеж представлен в приложении под №1.
Гельгафт Ю. М. Лиелаусис О. А. Щербинин Э. В. Жидкий металл под действием электромагнитных сил. Издательство «ЗИНАТНЕ». Рига 1976 г.
Калнинь Т. К. Явнополюсные МГД-насосы. Издательство «ЗИНАТНЕ». Рига 1969 г.
Андреев А. М. Глухих В. А. Иванов В. В. Индукционные электромагнитные насосы для перекачивания жидко-металлических теплоносителей. Издательство «ЗИНАТНЕ». Рига 1975 г.
Андрианов А. Н. Витковский И. В. Магнитогидродинамическая машина. Открытия. Изобретения. 1982 г. № 36.
Андреев А. М. Андрианов А. Н. Витковский И. В. Магнитогидродинамический дроссель. Открытия. Изобретения. 1981 г. № 15.
Бирзвалк Ю. А. Основы теории и расчета кондукционных МГД-насосов постоянного тока. Издательство «ЗИНАТНЕ». Рига 1968 г.
Баранов Г. А. Глухих В. А. Витковский И. В. Исследования жидкометаллических МГД-генераторов. 6th Intern. Conf. On magnetohydrodynamic electrical power generation. Washington D. C. 1975 г.
Баранов Г. А. Глухих В. А. Кириллов И. Р. Расчеты и проектирование индукционных ИГД-машин с жидкометаллическим рабочим телом. Издательство «Атомиздат». 1978 г.
Бинс К. Лауренсон П. Анализ и расчет электрических и магнитных полей. Издательство «Энергия». 1970 г.
Биргер Б. Л. Горовиц В. С. Гельфгат Ю. М. МГД-дроссель. Открития. Изобретения. 1977 г. № 20.
Тамоян Г. С. Учебное пособие по курсу "Специальные электрические машины" кафедра ЭлектромеханикиМЭИ (ТУ).
Чайка П. Ю. Исследование ресурса магнитогидродинамических машин с жидкометаллическим рабочим телом. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. 2012.
Бааке Э. Барглик Д. Лупи С. Киканоров А. Павлов Е. Павлов С. Первухин М. Тимофеев В. Тимофеев С. Хацаюк М. Якович А. МГД технологии в металлургии. Интенсивный курс Специализация IV. 2013.
Кашманов И. А. Цилиндрический линейный кондукционный насос. RU 2526373.
Радкевич Н. А. Винтовой электромагнитный насос. RU 2106735.