2.2.3. Кондукционные насосы

Принцип действия кондукционных электромагнитных насосов и других подобных им МГД-устройсгв основан на взаимодействии электрического тока, подведенного к жидкому металлу, с внешним магнитным полем.

Классический тип кондукционного электромагнитного насоса (называемого иногда насосом типа Фарадея) работает на постоян­ном токе и использует внешнее магнитное поле. Он состоит из пространственного пересечения трех цепей - ма­гнитной, электрической и гидравлической (рис. 20). Направления векторов индукции магнитного поля, плотности тока и оси канала трубопровода выбирают взаимно перпендикулярными. Металлотракт, т.е. труба для жидкого металла, часто называемая каналом насоса (в зарубежной литературе при­нято название горловина - throat), помещается в зазоре между полюсными башмаками сильного электромагнита, катушка кото­рого обычно включается последовательно в цепь тока, проходя­щего через жидкий металл [1, 2].

Для ввода тока в жидкий металл иногда в стенки канала встраиваются электроды, а чаще канал выполняется металлическим, и токоведущие шины просто при­вариваются к боковым стенкам канала, как показано на рис. 22.

Такой насос может работать как на постоянном, так и на пере­менном токе при условии, что направление электрического тока и магнитного поля изменяется одновременно. Но в последнем случае КПД его значительно снижается из-за потерь па вихревые токи в жидком металле и стенках канала. Кроме того, при переменном токе давление в канале пульсирует с двойной частотой питающего тока, что вызывает вибрацию и усталостное разруше­ние канала. Поэтому использование постоянного тока является предпочтительным.

Тем не менее, значительное развитие получили кондукционные электромагнитные насосы переменного тока. Это объясняется тем, что кондукционный насос, как правило, требует питания от внешней цепи при весьма значительных величинах тока (тысячи и десятки тысяч ампер) при низком напряжении (единицы и доли вольта). Такие параметры электроэнергии, естественно, побуждают стремиться к использованию переменного тока, поскольку понижающие трансформаторы намного дешевле и проще в эксплуатации, чем специальные низковольтные выпрямители или многоамперные генераторы постоянного тока (в частности, униполярные).

Рис. 22. Схема кондукционного электромагнитного насоса постоянного тока: 1 - поток жидкости; 2 - магнитный полюс; 3 - канал насоса; 4 - ток; 5 - шина (электрод); 6 - магнитный полюс

При питании насоса переменные током магнитная цепь его с целью уменьшения потерь выполняется ших­тованной, из листовой электротехни­ческой стали. Следующим шагом кон­структорской мысли явилось исполь­зование магнитной цепи насоса в ка­честве сердечника понижающего транс­форматора, т. е. «сращивание» собст­венно насоса с последним. Однако для насоса принципиально необходим разрыв в магнитной цепи (для помещения в нем канала), тогда как трансформатору такой разрыв магнитной цепи резко ухудшил бы все показатели. Поэтому комбинирован­ный насос - трансформатор обычно имеет разветвленную ма­гнитную цепь, одна ветвь которой (трансформаторная) замкнута по железу, а другая имеет разрыв, в котором помещается канал насоса. На замкнутой ветви магнитной цепи наложены две об­мотки, из которых одна, первичная, предназначена для включения в электросеть и имеет значительное число витков, а вторичная имеет лишь один или несколько витков, выполненных из шины большого сечения, концы которой приварены к каналу (рис. 23).

Весьма интересен однофазный кондукционный насос транс­форматорного типа с Ф-образпой вторичной цепью и двумя актив­ными зонами. Канал для жидкого металла в нем составляет вер­тикальную «палочку» буквы Ф, боковые «скобки» которой образованы приваренными к каналу шинами, пропущенными через окна сердечников двух отдельных трансформаторов.

Рис. 23. Простейший кондукционный насос трансформаторного типа: 1 – магнитопровод; 2 – первичная обмотка; 3 – вторичный виток; 4 – канал насоса	Рис. 24. Двухзонный кондукционный насос трансформаторного типа: 1 – сердечник трансформатора; 2 – сердечник разомкнутой магнитной цепи; 3 – катушка возбуждения разомкнутой магнитной цепи; 4 – шины вторичной цепи трансформатора; 5 – обмотка трансформатора

Магнитный поток, пронизывающий жидкий металл в канале, создается отдельной разомкнутой магнитной системой. Такой насос изображен на рис. 24.

В насосе трансформаторного типа электрический ток из сети передается жидкому металлу посредством электромагнитной ин­дукции, т. е. индуктируется во вторичной цепи трансформатора переменным магнитным полем. Однако насосы этого типа все же, без сомнения, можно считать кондукционными, так как непо­средственно к жидкому металлу в рабочей зоне насоса ток подво­дится кондуктивным путем.

Сложнее обстоит дело с особой разновидностью электрома­гнитных насосов подобного рода, в которых вторичная цепь трансформатора выполнена не из твердой шины, а представляет собой «жидкий виток» из перекачиваемого металла, заполняющего канал соответствующей формы.

К классу кондукционных, с некоторой натяжкой, можно отнести также электромагнитные насосы, в которых электрический ток к жидкому металлу не подводится извне, но кондуктивная связь с внешней цепью нужна для замыкания токов, создаваемых какой-либо ЭДС, действующей в активной зоне насоса. Напри­мер, в весьма остроумных по идее термоэлектрических насосах ЭДС создается за счет контактной разности потенциалов между горячими и холодными торцами токогенерирующих термоэлементов. По существу энергия, расходуемая па перекачивание жидкого металла, в таком насосе доставляется за счет снижения температуры жидкого металла.

На рис. 25 представлена схема простейшего термоэлектри­ческого насоса. Термоэлементы имеют горячие торцы (кромки) там, где они прилегают к стенке канала для жидкого металла, холодные - в месте контакта с замыкающими шинами, снаб­женными охлаждающими ребрами или каналами водяного охла­ждения.

Внешнее магнитное поле создается постоянными магни­тами. Термоэлементы изготавливаются из материалов, создающих высокую термо-ЭДС, например сурьмы, висмута и др. Сплавы кремния и германия могут работать при температурах до 1000 - 1100°С. Термоэлектрические насосы получили распространение в аэрокосмической технике. Применению их в МГД-устройствах металлургического назначе­ния препятствуют главным образом невозможность использования непроводящих каналов и затруднительность регулирования

Рис. 25. Схема термоэлектрического насоса 1 - полюс магнита; 2 - тер­моэлемент; 3 - охлаждающее ребро; 4 - замыкающая шина; 5 - канал; 6 -теплоизоляция

развиваемого напора. В кондукционных электромагнит­ных насосах классического типа магнитное поле, как упоминалось, исполь­зуется постоянное или переменное, в зависимости от рода применяемого тока, и создается обычно электромагнитом.Обмотка электромагнита в насосе постоянного тока чаще всего выполняется в виде маловитковой катушки большого сечения и включается последовательно в цепь рабочего тока. Конечно, постоянное магнитное поле может создаваться и постоянным магнитом, но в устройствах металлурги­ческого назначения это не применяется ввиду сложности обеспе­чить необходимые температурные условия для постоянных магни­тов, а главным образом потому, что падение напряжения на не­скольких витках обмотки электромагнита мало что добавляет к падению напряжения в подводящих шинах.

Существенно отличаются от классического типа кондукционные электромагнитные насосы, в которых внешнее магнитное поле отсутствует и электромагнитные силы в жидком металле возникают за счет взаимодействия электрического тока с его собственным магнитным полем («пинч-эффект»). Характерным представителем этого типа устройств является кондукционный электромагнитный насос [17]. Принцип его действия пояснен на рис. 26, а.

Электрический ток вводится в жидкий металл посред­ством двух полых токоподводов. Рабочей зоной насоса является зазор между ними, в котором проявляется сжимающий эффект электромагнитных сил, и избыточное давление, создаваемое последними, поднимает металл по полости токоподводов. Магнитный поток замыкается в жидком металле, ферромагнитная цепь полностью отсутствует, в результате чего для создания заметной величины электромагнитных сил требуется весьма значительный ток.

Рис. 26. Использование пинч-эффекта в кондукционных электромагнитных насосах: а - насос без железного сердечника; б - насос с железным сердечником

Так, опытный насос с размерами, показанными на рис. 27, развивал напор в 0,7 м столба жидкого алюминия, т. е. давление ~ 0,17 х 10⁵ Н/м² (0,17 ат) при токе 36 000 А. Естественно, возможности практического применения устройства ограничены.

Существенное уменьшение величины необходимого рабочего тока достигается в сходных по принципу действия устройствах, имеющих железный сердечник (рис. 26, б). Последний возбуждается током, пропускаемым по жидкому металлу, и не имеет внешних источников МДС, что и отличает такие «безобмоточные» насосы от классического типа кондукционного электромагнитного насоса. На рис. 26, б показана связь между рассмотренным выше насосом, основанным на «чистом» пинч-эффекте, и безобмоточным кондукционным электромагнитным насосом, использующим эф­фект втягивания жидкого металла при пропускании через него электрического тока в паз железного сердечника.

Рис. 27. Опытный кондукционный насос для алюминия

Заметим, что в обращенной схеме, когда извне накладывается переменное ма­гнитное поле, а ток в металле должен создаваться этим же полем, все происходит наоборот - жидкий металл выталкивается из зазора сердечника.

Многочисленные конструкции безобмоточных насосов предло­жены О.М.Мироновым, В.Д.Мищенко и другими. Рассмотрим более подробно безобмоточный кондукционный электромагнитный насос конструкции Г.И.Кабакова. Характерной особенностью его является то, что электрический ток пропускается через канал не в перпендикулярном, как обычно, направлении, а вдоль его оси или соответственно вдоль оси паза в С-образном магнитопроводе, надетом на канал (рис. 28).

Рис. 28. Кондукционный безобмоточный насос конструкции Г.И.Кабакова: 1 - сердечник; 2 – патрубки - электроды; 3 - канал; 4 - направление тока; 5 - на­правление движения металла

Жидкий металл втягивается в канал через боковое ответвление Т-образного металлотракта, место разветвления которого яв­ляется активной зоной насоса. Именно в этом месте помещается магнитопровод. Таким образом, всасывающим патрубком насоса является нижний отросток буквы Т активной зоны, а напорными - верхние. Один из них обычно используется только для ввода тока в активную зону насоса через некоторую застойную зону жидкого металла и дальше заглушается. Электроды (или токоподводы) вынесены за пределы рабочей зоны насоса, что позволяет сколь угодно развить их поверхность для уменьше­ния контактного сопротивления (см. ниже). Например, эти элек­троды могут быть выполнены в виде патрубков, контактирующих с жидким металлом по всей своей внутренней поверхности. Во-вторых, рабочий ток насоса направлен вдоль напорной ветви металло-тракта и может быть использован для его подогрева. Поскольку в таких насосах используются токи порядка 3 - 5 кА и более, этим предотвращается замерзание металла в металлотракте, что существенно упрощает компоновку металлургического агрегата с таким насосом.

Именно эта возможность делает осмысленным применение безобмоточного магнитопровода при очевидной возможности достичь тех же напоров и производительности, подведя в активную зону значительно меньший ток, но наложив на магнитопровод катушку возбуждения.

Необходимо, однако, подчеркнуть, что рабочим током насоса можно подогревать не весь металлотракт, а лишь его половину - по одну (напорную) сторону активной зоны. Заманчивая задача найти| такое расположение магнитопроводов и такую конфигурацию металлотракта, чтобы заставить металл на всем пути через насос двигаться по линии тока, физически нереальна. В насосах классического типа, в которых электрический ток пропускает в активной зоне поперек канала (рис. 22), сопротивление полезного участка цепи тока (жидкого металла) весьма мало. Падение напряжения в подводящих шинах сравнимо, а зачастую больше полезнее напряжения, приложенного к жидкому металлу. Поэтому иногда делают канал из нескольких витков, пропуская ток в поперечном направлении последовательно через них.

Рис. 29. Спиральный кондукционный электромагнитный насос: 1 – канал насоса; 2 – электроды; 3 – отводные трубки; 4 – магнитопровод; 5 – теплоизоляция; 6 – тепловой экран; 7 – обмотка возбуждения

Если сделать такую систему осесимметричной, получается спиральный кондукционный насос (рис. 29). Такие устройства используются для получения высоких давлений.