Кондукционный насос-расходомер
CONDUCTION PUMP-FLOW METER

Изобретение относится к области средств прокачки и измерения расхода жидкостей и может быть использовано в ядерных энергетических установках с жидкометаллическим теплоносителем и в ускорительных мишенях.
Известен кондукционный насос для жидкого металла, представленный в сборнике [Прикладная магнитная гидродинамика. Труды института физики. XII. Рига. 1961. С. 25-29]. Кондукционный насос содержит источник постоянного магнитного поля и рабочий канал для протока жидкого металла, снабженный токоподводящими шинами. Однако такой насос выполняет только одну функцию - прокачку жидкого металла.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является устройство для измерения расхода жидкого металла на основе электромагнитного насоса, способное выполнять одновременно две функции: прокачку жидкого металла и измерение его расхода [Патент на полезную модель №133289, МПК G01F 1/00, Бюл. №28, 2013].
Известное устройство для измерения расхода жидкого металла на основе электромагнитного насоса содержит источник магнитного поля, состоящий из двух постоянных магнитов, соединенных магнитопроводами и заключенных в металлический кожух магнитной системы, выполненный из неферромагнитного материала и заполненный теплоизолирующим материалом, и рабочий канал для протока жидкого металла, снабженный токоподводящими шинами и электродами для измерения напряжения.
Недостатками указанного технического решения являются относительно низкий напор насоса, обусловленный относительно низкой магнитной индукцией (0,2 Тл), и относительно большая неопределенность индуцированной электродвижущей силы (эдс), снижающая точность измерения расхода, обусловленная тем, что электроды для измерения напряжения выполнены совместно с токоподводящими шинами.
Задача изобретения состоит в исключении указанных недостатков, а именно, в повышении напора насоса, развиваемого устройством, и в уменьшении неопределенности при измерении индуцированной эдс.
Технический результат - повышение напора, развиваемого насосом, и повышение точности измерения расхода.
Для исключения указанных недостатков в кондукционном насосе-расходомере жидкого металла, содержащем источник магнитного поля, рабочий канал для протока жидкого металла, частично помещенный в магнитное поле, и снабженный токоподводящими шинами и электродами для измерения напряжения, и кожух из неферромагнитного материала, предлагается:
- источник магнитного поля выполнить в виде магнита Ф-образной формы с полюсными наконечниками, установленными с возможностью продольного перемещения;
- электроды для измерения напряжения присоединить непосредственно к рабочему каналу на стыках его с токоподводящими шинами;
- кожух из неферромагнитного металла расположить внутри магнита Ф-образной формы.
В частных случаях исполнения кондукционного насоса-расходомера предлагается:
- во-первых, полюсные наконечники выполнить из магнитомягкого металла в виде цилиндров, снабженных на одном конце резьбой и гайкой из неферромагнитного металла, а другие концы сформировать в виде усеченных четырехгранных пирамид;
- во-вторых, электроды для измерения напряжения выполнить из нагревостойкого и ра-диационностойкого кабеля, например, марки КНМС(С) с минеральной изоляцией, с токоведущей жилой и оболочкой из нержавеющей стали.
Сущность изобретения поясняется на фигурах чертежей, где на фиг. 1 представлен общий вид насоса-расходомера жидкого металла, на фиг. 2 - продольный разрез насоса-расходомера жидкого металла, на фиг. 3 - поперечный разрез насоса-расходомера жидкого металла, на фиг. 4 - общий вид рабочего канала.
На фигурах чертежей приняты следующие обозначения позиций: 1 - кожух, 2 - магнит Ф-образной формы, 3 - полюсный наконечник, 4 - рабочий канал, 5 - токоподводящая шина, 6 - электрод для измерения напряжения.
Сущность изобретения состоит в следующем.
Кондукционный насос-расходомер содержит источник магнитного поля, рабочий канал 4 для протока жидкого металла и кожуха из неферромагнитного металла.
Источник магнитного поля выполнен в виде магнита Ф-образной формы 2 с полюсными наконечниками 3.
Полюсные наконечники 3 установлены в цилиндрических отверстиях Ф-образного магнита 2 с возможностью продольного перемещения. Такое исполнение полюсных наконечников 3 позволяет устанавливать желаемую ширину рабочего зазора источника магнитного поля.
В частном случае полюсные наконечники 3 выполнены из магнитомягкого металла в виде цилиндров, снабженных на одном конце резьбой и гайками и гайкой из неферромагнитного металла, а другие концы сформированы в виде усеченных четырехгранных пирамид. Это обеспечивает концентрацию магнитного поля в области рабочего канала 4, заключенной между токоподводящими шинами 5.
Магнит Ф-образной формы 2 с полюсными наконечниками 3 образует источник магнитного поля, выполненный почти полностью из магнитотвердого материала, без использования магнитопроводов, что существенно увеличивает магнитную индукцию в рабочем зазоре источника магнитного поля по сравнению с наиболее близким аналогом, при одинаковой общей массе и размерах.
Рабочий канал 4 для протока жидкого металла частично помещен в магнитное поле и снабжен токоподводящими шинами 5 и электродами для измерения напряжения 6.
Рабочий канал 4, снабженный токоподводящими шинами 5 и электродами для измерения напряжения 6, выполнен в виде трубы из нержавеющей стали. Средняя часть трубы, помещенная в магнитное поле, сплющена до образования плоской щели заданного размера. Это позволяет уменьшить рабочий зазор источника магнитного поля, увеличить магнитную индукцию, напор насоса и эдс расходомера.
Электроды для измерения напряжения 6 присоединены непосредственно к рабочему каналу 4 на стыках его с токоподводящими шинами 5.
В частном случае электроды для измерения напряжения 6 выполнены из нагревостойкого и радиационностойкого кабеля, например, марки КНМС(С), с минеральной электроизоляцией, с токоведущей жилой и оболочкой из нержавеющей стали. Это обеспечивает работоспособность кондукционного насоса-расходомера жидкого металла в условиях повышенной радиации.
Электроды для измерения напряжения 6 присоединены токоведущими жилами непосредственно к рабочему каналу 4, что повышает точность измерения эдс расходомера по сравнению с наиболее близким аналогом.
Кожух 1 из неферромагнитного металла расположен внутри магнита Ф-образной формы 2.
Токоподводящие шины 5 выполнены из нержавеющей стали и присоединены к сплющенной части рабочего канала 4 с образованием надежного электрического контакта, например, с помощью аргонно-дуговой сварки.
Кондукционный насос-расходомер жидкого металла работает следующим образом.
При пропускании электрического тока между токоподводящими шинами 5 поперек рабочего канала 4, заполненного жидким металлом, в последнем, в соответствии с законом Ампера, возникает сила, равная произведению из трех сомножителей: магнитной индукции, силы тока и длины проводника. Эта сила заставляет жидкий металл двигаться вдоль рабочего канала 4. Отношение этой силы к площади поперечного проходного сечения рабочего канала 4 представляет собой максимальный напор, развиваемый насосом. Объемный расход или производительность кондукционного насоса-расходомера определяется гидравлическим сопротивлением циркуляционного контура. Регулируя силу тока питания насоса-расходомера, можно регулировать напор кондукционного насоса-расходомера и расход жидкого металла.
При движении в магнитном поле жидкого металла в нем индуцируется эдс, определяемая (в соответствии с законом Фарадея) произведением из трех сомножителей: магнитной индукции, скорости движения и длины проводника. При известных величинах магнитной индукции и длины проводника, по измеренной эдс можно определить скорость жидкого металла и его расход. Напряжение, измеренное между электродами для измерения напряжения 6 кондукционного насоса-расходомера жидкого металла, определяется суммой падения напряжения от прохождения тока питания насоса и от индуцированной эдс расходомера. Если предварительно измерить падение напряжения от прохождения тока питания при неподвижном жидком металле и вычесть его из измеренного напряжения между электродами 6 при движущемся жидком металле, то можно определить скорость и расход жидкого металла.
Пример конкретного исполнения кондукционного насоса-расходомера жидкого металла.
2
В качестве источника магнитного поля использован стандартный литой постоянный магнит Ф-образной формы 2 марки ДЖБ-09.2.3197 из сплава ЮНДК24, ГОСТ 25639-83. Масса магнита 3,47 кг, габаритные размеры 160×90×60 мм. Полюсные наконечники 3 диаметром 28 мм изготовлены из стали 20. Площадь рабочей поверхности полюсных наконечников 3 (оснований усеченных пирамид, обращенных к воздушному зазору) 20×18 мм, ширина воздушного зазора между полюсными наконечниками 3 составляет 5,3 мм. Магнитная индукция в зазоре источника магнитного поля составляет 0,861 Тл, т.е. в 4,3 раза больше, чем в наиболее близком аналоге.
Рабочий канал 4 изготовлен из нержавеющей трубки (Х18Н10Т) диаметром 10×1 мм. Наружная ширина сплющенной части рабочего канала 4 равна 4,6 мм, внутренняя ширина - 2,6 мм. Наружная и внутренняя высота рабочего канала 4 составляет 16 и 14 мм, соответственно. Длина рабочего канала 4 равна 220 мм, а его сплющенной части - 30 мм.
Токоподводящие шины 5 изготовлены из листовой стали Х18Н10Т толщиной 4 мм. Ширина токоподводящих шин 5 составляет 20 мм. Токоподводящие шины 5 приварены к рабочему каналу 4 аргонно-дуговой сваркой.
Кожух 1 изготовлен из нержавеющей стали Х18Н10Т толщиной 2 мм, размещен во внутренней области магнита Ф-образной формы 2 и скреплен с ним с помощью четырех неферромагнитных винтов. Рабочий канал 4 зафиксирован в отверстиях дна и крышки кожуха 1 с одной стороны с помощью сварки, с другой - с возможностью перемещения для компенсации температурного расширения.
Электроды 6 изготовлены из кабеля КНМС(С) (кабель нагревостойкий с минеральной изоляцией в стальной оболочке, со стальной жилой, ТУ 16-505.564-75) с наружным диаметром стальной оболочки 3 мм. Диаметр токоведущей жилы из нержавеющей стали 0,6 мм. Оболочка кабелей уложена по внешней образующей токоподводящих шин 5 и прикреплена к ним хомутиками и точечной сваркой.
Расчетный максимальный напор кондукционного насоса-расходомера жидкого металла при токе питания 150 А составляет 30 кПа, максимальный расход при работе «на себя» - 300 л/ч. Кондукционный насос-расходомер жидкого металла подготовлен к испытаниям на эвтектическом сплаве натрий-калий.
Преимущества предлагаемого кондукционного насоса-расходомера жидкого металла по сравнению с наиболее близким техническим решением заключаются в увеличении как максимального напора насоса, так и эдс расходомера в 4,3 раза.