2.1 Основные схемы электромагнитных насосов

Для транспортировки жидких металлов и проводящих жидкостей в настоящее время широко применяются различные типы магнитогидродинамических насосов. В атомных установках, в металлургии и химическом производстве такие насосы имеют неоспоримые преимущества перед обычными механическими, так как они обеспечивают полную герметичность, удобство при встраивании в технологическую схему, простоту обслуживания при эксплуатации, легкую возможность регулирования параметров напора и расхода.

По принципу действия эти насосы полностью аналогичны традиционным электрическим машинам за исключением конструкции и наличия магнитогидродинамических эффектов.

Поскольку электрические машины, как электромеханические преобразователи, обладают принципом обратимости, аналогичные схемы могут использоваться и как генераторы электрической энергии. МГД–генераторы, в свою очередь, могут работать на жидком металле или низкотемпературной плазме.

Электромагнитные насосы подразделяют на два основных вида: кондукционные и индукционные.

В кондукционных насосах пондеромоторные силы, обуславливающие движение жидкости, возникают вследствие взаимодействия магнитного поля и токов, подведенных к жидкости кондуктивным .способом.

В индукционных насосах пондеромоторные силы в жидкости возникают как и в асинхронных электрических двигателях индукционным способом.

Кондукционные насосы могут быть постоянного и переменного тока.

Рис. 2.1

Индукционные насосы могут быть плоскими линейными, линейными цилиндрическими или спиральными.

Принципиальная схема кондукционного насоса постоянного тока показана на рис. 2.1.

В канале прямоугольного сечения из тонкого немагнитного металла находится проводящая жидкость. К боковым стенкам канала через соответствующие электроды подводится постоянный ток. При взаимодействии с магнитным полем В (магнитопровод здесь не показан) возникает электромагнитная сила , под давлением которой жидкость приходит в движение и создается напор жидкости. Вполне очевидно, что такая схема полностью подобна двигателю постоянного тока гомополярного типа.

Ток, текущий в проводящей жидкости, создает магнитное поле реакции, которое снижает эффективность работы насоса. На входе в канал магнитное поле усиливается, на выходе – уменьшается. Для компенсаций реакции «якоря» применяется компенсационная петля (обмотка) или зазор между полюсами уменьшается в направлении к выходу с одновременным изменением сечения канала.

На рис. 2.2 представлены две схемы компенсации реакции.

Рис. 2.2

Насос переменного тока имеет точно такую же схему. Отличительной особенностью его является шихтованный магнитопровод из электротехнической стали и питание однофазным переменным током низкого напряжения (униполярная машина). Понижающий трансформатор может быть встроен в общий магнитопровод.

Основные типы индукционных насосов представлены на рис. 2.3 – 2.5.

Рис. 2.3

Рис. 2.4

Рис. 2.5

Плоский линейный насос (рис. 2.3) подобен линейному асинхронному двигателю с двусторонним индуктором, в зазоре которого находится плоский канал из немагнитной стали. Бегущее поле индуцирует в жидкости в канале электромагнитные силы и создает напор. Аналогично устроен цилиндрический линейный насос (рис. 2.4), в котором канал имеет форму двух коаксиальных цилиндров и диффузоров на входе и выходе. Спиральный насос, способный создавать большие давления (рис. 2.5), это фактически асинхронная машина с неподвижным внутренним магнитопроводом и спиральным каналом в немагнитном зазоре. Жидкий металл или проводящая жидкость движется по спиральному каналу.

Питание кондукционных насосов постоянного тока может осуществляться от униполярных генераторов постоянного тока, так как сами насосы являются по своей сути униполярными электрическими машинами. Униполярные генераторы должны обеспечивать токи до 10⁵ А при напряжении 0,5÷3,0 В (конечно, для питания могут быть использованы и выпрямительные установки или химические элементы).

Плоские индукционные насосы как и кондукционные насосы могут рассчитываться как электрические машины с твердым вторичным телом, если течение в канале носит турбулентный характер и основное ядро потока движется с постоянной скоростью (см. профиль скоростей в турбулентном потоке). МГД–эффекты могут быть учтены отдельно и внесены в расчет как уточняющие поправки. В сложных случаях корректных решений задача должна рассматриваться в полном объеме как магнитогидродинамическая. Естественно решение такой задачи неизбежно связано с огромными трудностями.

Кондукционные насосы предпочтительно применять для перекачки жидких металлов с низкой проводимостью, так как в этом случае они имеют больший КПД, чем индукционные, и лучшие массогабаритные показатели. Иногда такие насосы могут применяться для перекачки металлов с высокой проводимостью и при высоких температурах, так как имеют низкое напряжение питания, пониженные требования к изоляции и т.д.

Например, для реактора – размножителя в Америке разработан насос с каналом 450 х 150 х 1070 мм и производительностью 2250 м³/ч. Питание насоса осуществляется от униполярного генератора с U = 2,5 В и I = 2,5∙10⁵ А. Насос предназначен для перекачки эвтектики Na – Ка при температуре t = 250° С.

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.