УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ЖИДКОГО МЕТАЛЛА НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО НАСОСА

Полезная модель относится к области магнитной гидродинамики и может быть использована в экспериментальных и энергетических установках с жидкометаллическими теплоносителями.
Известны электромагнитные насосы постоянного тока для перекачки жидких металлов, содержащие источник постоянного магнитного поля и рабочий канал, снабженный токоподводящими шинами (И.А.Тюрин. Электромагнитные насосы для жидких металлов. Рига: Изд. АН ЛаССР, 1959).
Рабочий канал помещен в магнитное поле таким образом, что электрический ток, протекающий через участок канала между шинами, магнитный поток и направление движения жидкого металла взаимно перпендикулярны. Взаимодействие электрического тока и магнитного поля приводит к появлению силы, вынуждающей жидкий металл двигаться вдоль рабочего канала. Направление действия силы определяется известным правилом левой руки. Отношение этой силы к площади поперечного проходного сечения канала дает напор, создаваемый насосом. Магнитное поле создают либо постоянными магнитами, либо электромагнитом постоянного тока.
Известны также электромагнитные расходомеры для измерения расхода жидких металлов, содержащие постоянный магнит и участок трубопровода, снабженный двумя электродами, присоединенными диаметрально противоположно к его внешней поверхности (Шерклиф Дж. Теория электромагнитного измерения расхода. М., Мир, 1965).
При движении жидкого металла вдоль трубопровода, помещенного в магнитное поле, в жидком металле возникает электродвижущая сила (эдс) индукции, пропорциональная расходу. Измеряя разность потенциалов между электродами, определяют расход жидкости.
Общим недостатком этих устройств является то, что ни одно из указанных технических решений в отдельности не позволяет обеспечить комплексное решение задачи прокачки и измерения расхода жидкого металла в циркуляционном контуре. Поэтому требуется два устройства (насос и расходомер), каждое из которых имеет значительные размеры и массу, и соответствующую стоимость.
Задача данной полезной модели состоит в исключении указанных недостатков, а именно обеспечить комплексное решение задачи прокачки и измерения расхода жидкого металла в циркуляционном контуре за счет совмещения функций насоса и расходомера в одном устройстве.
Для исключения указанных недостатков предлагается устройство для измерения расхода жидкого металла на основе электромагнитного насоса, содержащее 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, помещенный в магнитное поле, снабженный токоподводящими шинами.
В частных случаях выполнения устройства предлагается:
- источник магнитного поля выполнить Ф-образной формы, с двумя постоянными магнитами в форме полуцилиндров и соединить между собой параллельно магнитопроводами, снабженными полюсными наконечниками;
- рабочий канал снабдить электродами для измерения напряжения и кронштейнами для крепления к магнитопроводам.
Технический результат состоит в расширении функций электромагнитного насоса, что позволит осуществлять прокачку жидкого металла и измерение его расхода с использованием одного устройства, уменьшить массу, габаритные размеры и стоимость оборудования, необходимого для прокачки жидкого металла и измерения его расхода, по сравнению с двумя отдельными устройствами: электромагнитным насосом и электромагнитным расходомером.
Сущность полезной модели поясняется на фигурах 1-6, где на фиг.1 и 2 представлены продольные разрезы устройства, на фиг.3 - поперечный разрез устройства; на фиг.4 - общий вид устройства, на фиг.5 - эквивалентная электрическая схема устройства; на фиг.6 - экспериментальная зависимость выходного сигнала устройства от расхода.
ж
с
ж
c
На указанных фигурах приняты следующие обозначения: 1 - постоянный магнит; 2 - магнитопровод; 3 - кожух магнитной системы; 4 - рабочий канал; 5 - токоподводящая шина; 6 - полюсный наконечник; 7 - электрод; 8 - кронштейн; I - ток питания насоса; Е - эдс индукции; U - напряжение на стенке рабочего канала; R- сопротивление жидкого металла; R - сопротивление стенки рабочего канала; I - ток в жидком металле; I - ток в стенке рабочего канала.
Устройство для измерения расхода на основе электромагнитного насоса состоит из источника магнитного поля и помещенного в магнитное поле рабочего канала 4.
Источник магнитного поля выполнен Ф-образной формы, с двумя постоянными магнитами 1 в форме полуцилиндров, обращенных выпуклыми сторонами наружу, соединенными между собой параллельно двумя магнитопроводами 2, снабженными полюсными наконечниками 6.
Такая конструкция источника магнитного поля позволяет удалить постоянные магниты 1 от рабочего канала 4, имеющего высокую температуру, а их полуцилиндрическая форма позволяет уменьшить длину и массу магнитопроводов 2.
Постоянные магниты 1 выполнены в форме полуцилиндров из термостабильного сплава, например, ЮНДК24 или ЮНДК35Т5, сохраняющего магнитные свойства неизменными при температуре до 500-550°С.
Постоянные магниты 1 соединены между собой параллельно двумя магнитопроводами 2. Магнитопроводы 2 выполнены из магнитомягкой стали, например Ст.20, плоской формы, со скругленными краями, соответствующими полуцилиндрической форме постоянных магнитов 1.
Магнитопроводы 2 и постоянные магниты 1 заключены в кожух 3 магнитной системы, изготовленный из неферромагнитной листовой стали, который крепится к магнитопроводам 2. Для облегчения сборки кожух 3 магнитной системы выполнен из двух одинаковых половинок.
Свободное пространство внутри кожуха 3 магнитной системы заполнено теплоизолирующим материалом, например, каолиновой ватой. Это обеспечивает прогрев рабочего канала 4 и уменьшает нагрев постоянных магнитов 1.
Рабочий канал 4 для протока жидкости, снабжен токоподводящими шинами 5 и электродами 7 для измерения напряжения. Рабочий канал 4 выполнен плоской формы в его рабочей части, расположенной в магнитном поле между полюсными наконечниками 6, переходящей в цилиндрическую форму симметрично в обе стороны. Рабочий канал 4 снабжен также кронштейнами 8 для крепления к магнитопроводам 2. Материал рабочего канала - нержавеющая сталь.
Токоподводящие шины 5 выполнены, как и рабочий канал 4, из нержавеющей стали и заодно целое с электродами 7, служащими для измерения напряжения на рабочем канале 4.
К магнитопроводам 2 крепятся полюсные наконечники 6, концентрирующие магнитное поле в области рабочего канала 4.
Устройство работает следующим образом.
При пропускании через устройство тока I (фиг.5) оно работает как известный электромагнитный насос постоянного тока и прокачивает жидкий металл по рабочему каналу 4.
0
ж
0
0
0
ж
0
0
При движении жидкого металла в магнитном поле устройства в жидком металле индуцируется электродвижущая сила Е, пропорциональная его расходу. В результате на электродах 7 появляется напряжение U, складывающееся из падения напряжения при протекании тока I и индуцированной эдс Е. Из анализа эквивалентной схемы (фиг.5) индуцированная эдс определяется формулой E=(U-I R) R/R. Путем измерения напряжения U на электродах 7, тока питания I и сопротивления насоса R определяется эдс Е, индуцированная за счет движения жидкого металла и определяется его расход, как и в обычном магнитном расходомере. Электрическое сопротивление R рабочего канала 4 устройства при нулевом расходе жидкого металла достаточно измерить один раз при рабочей температуре и внести в паспорт устройства. Отношение R/R является постоянной величиной для конкретного устройства и определяется при градуировке. Итак, по измеренному напряжению U на электродах 7 рабочего канала 4 и измеренной силе тока питания I предлагаемого устройства можно однозначно определить создаваемый им расход, если предварительно измерено R и проведена экспериментальная градуировка.
Пример конкретного исполнения устройства.
Устройство для измерения расхода на основе электромагнитного насоса реализовано на практике и испытано на экспериментальном натриевом стенде. Рабочий канал 4, выполненный из нержавеющей стали 12Х18Н9Т, имел внутренний диаметр подсоединительных патрубков 11 мм и наружный диаметр 14 мм. Плоская часть рабочего канала 4 имела ширину для протока жидкого металла 3 мм и наружный размер 6 мм. Постоянные магниты 1 изготовлены в виде полуцилиндров диаметром 72 мм и высотой 50 мм из железо-никель-кобальтового сплава ЮНДК24, сохраняющего стабильность магнитной индукции при температуре до 500°С длительное время. Магнитная индукция в зазоре составляла 0,2 Тесла.
Токоподводящие шины 5 выполнены из нержавеющей стали 12Х18Н9Т методом фрезерования заодно целое с электродами 7. Кронштейны 8 приварены к рабочему участку 4 и крепят его винтами к магнитопроводам 2. Свободное пространство внутри кожуха 3, выполненного из листовой стали 12Х18Н9Т толщиной 1 мм, заполнено каолиновой ватой.
3
Устройство питалось постоянным током, регулируемым от 20 до 200 А. Масса устройства составила менее 6 кг. Истинный расход натрия при испытаниях определялся по времени заполнения мерного бака известного объема. Результаты градуировки устройства в режиме расходомера при токе питания насоса 200 А приведены на фиг.6. При расходе 100 см/с (360 л/ч) индуцированная эдс составляет 5 мВ и имеет линейную зависимость от расхода, как это свойственно известным электромагнитным расходомерам.