DE102004044635B4

DE102004044635B4 - Elektrisch-magnetische Rühranlage für elektrisch leitende flüssige Medien

Info

Publication number: DE102004044635B4
Application number: DE102004044635A
Authority: DE
Inventors: Petr A. Nikrityuk; Roger Grundmann
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2004-09-10
Filing date: 2004-09-10
Publication date: 2006-08-03
Anticipated expiration: 2024-09-11
Also published as: DE102004044635A1

Abstract

Elektrisch-magnetische Rühranlage für elektrisch leitende flüssige Medien in einem Behälter mit Katode und Anode und einer die Elektroden umgebenden Magnetspule, wobei ein durch das Medium hindurchfließender elektrischer Strom und ein von der Magnetspule erzeugtes Magnetfeld sich schneiden, wodurch das Medium bewegt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass sie enthält
– einen Behälter (3), in den das Medium (2) einfüllbar ist,
– eine im Behälterraum (14) ruhend gehalterte Scheibe (4) mit mindestens einer im zentralen Bereich der Scheibe (4) befindlichen Scheiben-Katode (5) und mit mindestens einer zur Scheiben-Katode (5) radial periphär beabstandeten ringförmigen Scheiben-Anode (6),
– einen zwischen der Scheiben-Katode (5) und der Scheiben-Anode (6) befindlichen Isolationsring (7),
– die Magnetspule (9), die radial von der Scheiben-Katode (5) und der Scheiben-Anode (6) beabstandet ist und die Scheiben-Anode (6) umgibt, wobei deren Magnetfeld (10) die Scheibe (4) und das Medium (2) durchsetzt, und
– elektrische Versorgungsleitungen...

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrisch-magnetische Rühranlage für elektrisch leitende flüssige Medien in einem Behälter mit Katode und Anode und einer die Elektroden umgebenden Magnetspule, wobei ein durch das Medium hindurchfließender elektrischer Strom und ein von der Magnetspule erzeugtes Magnetfeld sich schneiden, wodurch das Medium bewegt wird.
Anwendungsgebiete der Erfindung sind die chemische Industrie bei der Durchmischung von elektrisch leitenden flüssigen Medien mit mehreren Komponenten oder die Metallurgie zur Durchmischung von Schmelzen. Die Medien können flüssige Metalle hoher Temperatur, Metallschmelzen, flüssige Metalllegierungen sowie Salzlösungen sein.

Eine Anlage zum Rühren eines elektrisch leitenden flüssigen Mediums in einem Behälter mittels sich durchdringender, konstanter elektrischer und magnetischer Felder ist in der Druckschrift „The Electrodynamics of Fluids", Verlag John Wiley & Sons, 1966 beschrieben. Der Behälter besteht aus zwei koaxialen Zylindern etwa gleicher Höhe und gleicher Achse, wobei der innere Zylinder als Katode und der äußere Zylinder als Anode geschaltet sind. Die beiden koaxialen Zylinder stehen auf einer Bodenplatte aus Isolationsmaterial. Bei geschlossenen Behältern ist die zugehörige Deckelplatte ebenfalls als Isolator ausgebildet. Der Anodenzylinder ist von einer elektromagnetischen Spule umgeben, deren inneres Magnetfeld paraxial zu den beiden übereinstimmenden Zylinderachsen gerichtet ist. In dem ringförmigen, zwischen den beiden Zylindern befindlichen Freiraum ist das Medium eingefüllt. Es entsteht eine Wechselwirkung zwischen dem elektrischen Strom, der von der Anode zur Katode radial gerichtet durch das Medium hindurch fließt, und dem dazu zylinderparaxial gerichteten Magnetfeld.

Dabei stehen die radiale Richtung des elektrischen Stroms und die axiale Richtung des inneren magnetischen Spulenfeldes zumindest annähernd senkrecht aufeinander und die resultierende Lorentz-Kraft treibt das flüssige Medium in azimutaler Bewegung in Form einer Rotation im ringförmigen Freiraum. Durch die Fliehkräfte des rotierenden Mediums können sich gleichzeitig anodenwandungsorientierte meridionale Wirbel einstellen, so dass insgesamt eine Durchmischung des flüssigen Mediums, insbesondere eines Mehrkomponentenmediums erfolgt.

Ein Problem besteht darin, dass der feststehende, vom Boden bis nahe bzw. bis zum Deckel reichende Katodenzylinder im Behälter einen hohen Platzbedarf hat, so dass nur relativ wenig Masse des flüssigen Mediums in dem ringförmigen Freiraum verrührt bzw. vermischt werden kann. Auch die meridionale Wirbelbewegung ist infolge des schmalen ringförmigen Zwischenraums kaum ausgebildet.

Es ist eine weitere Einrichtung zum Gießen einer homogenen Legierung aus nicht mischbaren Metallen in der Druckschrift EP 0 545 607 B1 beschrieben. Die Einrichtung umfasst

– eine Kristallisatorvorrichtung mit zwei Enden, die mit einer Schmelze befüllbar ist, die aus den Metallen hergestellt ist,
– eine Homogenisierungsvorrichtung, die in den Kristallisator eingebaut ist und mit ihm in Verbindung steht,
– Zuleitungsvorrichtungen, die an den beiden Enden der Kristallisatorvorrichtung zum Durchfließen eines Gleichstroms durch die Schmelze in der Kristallisatorvorrichtung angebracht sind, um darin ein elektrisches Feld von zuvor festgelegter Stärke zu erzeugen,
– mindestens einen Elektromagnet mit Pollücken, die die Kristallisatorvorrichtung umspannen und zur Erzeugung eines magnetischen Feldes von zuvor festgelegter Induktion darin eingestellt sind, und
– eine Kühlvorrichtung, um die Schmelze innerhalb eines zuvor festgelegten Zeitraums zum Erstarren zu bringen,

wobei sich bei Gebrauch der Einrichtung das elektrische Feld und das magnetische Feld schneiden, wobei die Wechselwirkung zwischen dem elektrischen Feld, das durch den die Schmelze durchfließenden Gleichstrom erzeugt wird, und dem magnetischen Feld, das durch den zumindest einen Elektromagnet erzeugt wird, die Wirkung der Schwerkraft modifiziert wird, wodurch ein neutrales Gleichgewicht der Komponenten der Legierung erzeugt wird und dadurch die entmischende Absetzung aufgrund der Schwerkraft des schwereren der Metalle, aus denen die Legierung besteht, vermieden wird, und wobei die mittlere Dichte des Stroms, die das elektrische Feld beim Durchfließen der Schmelze erzeugt, vorgegeben ist.

Ein Problem besteht darin, dass die Einrichtung nur zum Stranggießen einer Metalllegierung dienen kann.

Eine andere Rühranlage und ein elektrisch-magnetisches Rührverfahren für Stranggießkokillen ist in der Druckschrift EP 1001862 B1 beschrieben, wobei die Kokillen Platten aufweisen und beim Stranggießen Knüppel, Blöcke, runde Stücke verwendet werden, wobei Mittel zur Erzeugung eines Magnetfeldes angeordnet sind, das auf das in der Kokille gegossene Metall einwirkt. Jede Platte oder jede Gruppe von Platten ist der Länge nach elektrisch von den benachbarten Platten oder der anschließenden Gruppe von Platten isoliert und wirkt mit eigenen Mitteln zur Erzeugung eines elektrischen Stromes zusammen. Die Hauptkomponente des Stromes besitzt eine Richtung parallel zur Gießachse der Kokille und die gewünschte Intensität und Richtung.

Mindestens einige der Platten sind elektrisch in Serie geschaltet und werden mit Strom versorgt. Die Platten selbst können in mehrere Längssegmente elektrisch isoliert unterteilt sein.

Ein Problem besteht darin, dass die Trennung der erstarrenden Schicht gesteuert werden soll und das macht es möglich, die Gießgeschwindigkeit zu steigern. Es gibt aber keine azimutale Bewegung des flüssigen Mediums.

Des Weiteren ist eine Einrichtung zum elektrodynamischen Rühren des Sumpfes einer Metallbramme in der Druckschrift DE 33 22 891 A1 beschrieben. Die Einrichtung ist mit einem metallischen Stützrollengerüst verbunden, das aus Ober- und Unterrollen besteht, das die Metallbramme außerhalb der Gießkokille durchläuft, bei der in einem Stützrollengerüst-Teil ein elektrischer Strom in Laufrichtung der Bramme durch die Bramme geleitet wird. In dem Stützrollengerüst-Teil sind zwei Rollen-Paare, wobei ein Paar aus einer Unterrolle und der gegenüberliegenden Oberrolle besteht, vorhanden, bei denen die Unterrolle und die Oberrolle mit wenigstens einer konzentrisch zur Drehachse dicht unter dem äußeren Rollenmantel verlegten Feldspule versehen sind, die über Stromkupplungen mit einem Gleichstrom gespeist werden, wobei entweder die Stromrichtungen oder der Wicklungssinn der Feldspulen so gewählt werden, daß in der Bramme zwischen jedem Rollen-Paar ein quer zur Brammen-Laufrichtung ausgerichtetes, entweder nur eine Richtung oder nebeneinander liegend, entgegengesetzte Richtungen besitzendes Magnetfeld entsteht, mit der Bedingung, daß die Richtung des Magnetfeldes zwischen dem einen Rollen-Paar entgegengesetzt der Richtung des Magnetfeldes zwischen dem anderen Rollenpaar ist.

Ein Problem besteht darin, dass die Geometrie der Einrichtung rechtwinklig bzw. quaderförmig ist. Die Lorentz-Kraft erzeugt keine azimutale Geschwindigkeitskomponente. Die Bewegung des Metalls wird nur in einer Ebene entlang der Schmelze ver stärkt. Die Anwendung der Einrichtung besteht in einer Metallvermischung während seiner Erstarrung.

Es ist des Weiteren eine Vorrichtung zur Bearbeitung einer Schmelze mit elekromagnetischen Kräften in der Druckschrift SU 159 88 59 A3 beschrieben, die folgende Funktionseinheiten enthält:

– einen quaderförmigen Behälter, in dem sich die Schmelze befindet,
– einen Eisenkern, in dessen Spalt der Behälter als Teil des Eisenkerns eingebracht ist,
– eine Feldwicklung zur Herstellung eines magnetischen Feldes in der Schmelze,
– eine Gleichstromquelle,
– einen Unterbrecher des Stromkreises der Feldwicklung und
– Elektroden in Elektrodenhalterungen, die auf der Deckelplatte des Behälters senkrecht Magnetflussdichte B im Eisenkern platziert sind.

Auf dem Eisenkern befindet sich eine zusätzliche Feldwicklung, die mit den Elektroden verbunden ist. Der elektrische Strom j der zum Eisenkern gehörenden Feldwicklung fließt längs des Deckels im Medium. Da sie auf dem Eisenkern koaxial zur Feldwicklung platziert ist, fließt der Strom quer zur Magnetflussdichte B.

Ein Problem besteht darin, dass zwar eine Lorentz-Kraft F im Behälter entsteht, die, durch die Anordnung bedingt, zusätzlich zur Schwerkraft gerichtet den Druck auf die Schmelze in Richtung zum Boden erhöht. Eine Lorentz-Kraft F, die eine Rotation verursachen kann, ist nicht vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrisch-magnetische Rühranlage für elektrisch leitende flüssige Medien anzugeben, die derart geeignet ausgebildet ist, dass die Anwendung der sich schneidenden elektrischen und der magnetischen Felder für eine azimutale Rotation des leitenden flüssigen Mediums in einem zylindrischen Behälter beliebiger Größe möglich sein soll. Es soll auch zumindest ein größerer Teil des Innenraumes eines beliebig großen Behälters zum Rühren und damit gleichzeitig kombiniert auch zum Vermischen unter Nutzung größerer meridionaler Wirbelbewegung eingesetzt werden können.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die elektrisch-magnetische Rühranlage für elektrisch leitende flüssige Medien in einem Behälter mit Katode und Anode und einer die Elektroden umgebenden Magnetspule, wobei ein durch das Medium hindurchfließender elektrischer Strom und ein von der Magnetspule erzeugtes Magnetfeld sich schneiden, wodurch das Medium bewegt wird, enthält gemäß dem Patentanspruch 1

– einen Behälter, in den das Medium einfüllbar ist,
– eine im Behälterraum ruhend gehalterte Scheibe mit mindestens einer im zentralen Bereich der Scheibe befindlichen Scheiben-Katode und mit mindestens einer zur Scheiben-Katode radial periphär beabstandeten ringförmigen Scheiben-Anode,
– einen zwischen der Scheiben-Katode und der Scheiben-Anode befindlichen Isolationsring,
– die Magnetspule, die radial von der Scheiben-Katode und der Scheiben-Anode beabstandet ist und die Scheiben-Anode umgibt, wobei deren Magnetfeld die Scheibe und das Medium durchsetzt, und
– elektrische Versorgungsleitungen für die Scheiben-Katode, die Scheiben-Anode sowie für die scheibenzugeordnete Magnetspule.

Die elektrischen Versorgungsleitungen können an eine Stromversorgungseinheit angeschlossen sein, die mit einer Steuer-/Regeleinrichtung in Verbindung steht und die die elektrischen und magnetischen Größen j,B dimensionsbezogen nach Vorgaben einstellt.

Die erfindungsgemäße Rühranlage kann dabei einen topfartigen, kesselartigen oder zylindrischen oder dgl. Behälter haben, dessen Mantel, Boden und wahlweise Deckel aus Isolationsmaterial besteht. Im Behälterraum ist die ruhend gehalterte Scheibe mit einer zentralen ringförmigen Scheiben-Katode und mit einer radial beabstandeten ringförmigen Scheiben-Anode vorzugsweise bodenparallel eingebracht. Zwischen der Scheiben-Katode und der Scheiben-Anode befindet sich der zur Scheibe gehörende Isolationsring.

Im zentralen inneren Bereich der Scheibe kann sich eine vertikal gerichtete, stab-/säulenförmige Haltevorrichtung befinden, in der die elektrischen Versorgungsleitungen isoliert von außerhalb des Behälters zur Scheiben-Katode, zur Scheiben-Anode sowie zur Magnetspule geführt sind und die die vorgegebene starre Position der Scheibe während des Rührens arretiert.

Die Haltevorrichtung kann mit einer oberhalb des Behälters befindlichen steuerbaren Positioniervorrichtung, mit der die Haltevorrichtung vor und während des Rührvorganges axial verschoben werden kann, sowie mit einem zugehörigen Gestell verbunden sein.

Dadurch, dass die Zylinderkatode im Behälterraum der bekannten Lösungen eingespart ist, können in der erfindungsgemäßen Rühranlage große Behälter eingesetzt werden, wobei die Scheibe in den Behälterraum mit dem zu rührenden Medium oder der Schmelze eingebracht wird und mit der Haltevorrichtung einen bedienbaren elektrisch-magnetischen Mixer darstellt, dessen Rührkraft bzw. mit dem die vorgegebene azimutale Geschwindigkeit des zu rührenden Mediums sowie die dadurch meridionale Wirbelbildung durch Änderungen der Stromstärke j und der Magnetflussdichte B variabel eingestellt werden kann, wobei zumindest Komponenten der beiden Größen j und B senkrecht zueinander gerichtet sind.

Das Rühren wird dadurch von einer kontinuierlichen Vermischung begleitet.

Anstelle der die Scheiben-Anode umgebenden Scheibenmagnetspule kann eine die Scheiben-Anode umgebende Behältermagnetspule nach außerhalb des Behältermantels verlagert und den Behältermantel umfassend angeordnet sein. Zwischen der ringförmigen Scheiben-Anode und der behälterumgebenden Behältermagnetspule befindet sich somit der Behältermantel. Damit kann ein noch größerer Teil des Behälterraumes mit dem flüssigen Medium gefüllt sein, was eine noch bessere Platzausnutzung bedeutet.

Die einbringbare Scheibe kann auch nur die Scheiben-Katode und wahlweise den Isolationsring enthalten, wobei die Scheiben-Anode verlagert ist und den ganzen Behältermantel oder zumindest einen Ring des Behältermantels als Mantel-Anode darstellen kann und radial von der behälterexternen Magnetspule umgeben ist.

Die Mantel-Anode kann auch in mehrere ringförmige Mantel-Teilanoden geteilt mit dazwischen befindlichen Isolationsringen im Behältermantel ausgebildet sein.

Die Aufgabe wird alternativ auch durch die Merkmale des Patentanspruchs 11 gelöst. Diese weitere erfindungsgemäße elektrisch-magnetische Rühranlage für elektrisch leitende flüssige Medien in einem Behälter mit Katode und Anode und einer die Elektroden umgebenden Magnetspule, wobei ein durch das Medium hindurchfließender elektrischer Strom und ein von der Magnetspule erzeugtes Magnetfeld sich schneiden, wodurch das Medium bewegt wird, enthält gemäß dem Patentanspruch 11

– einen Behälter, in den das Medium einfüllbar ist,
– eine im Behälterboden im zentralen Bereich befindliche flache scheiben- oder ringförmige Boden-Katode,
– eine zur Boden-Katode beabstandete ringförmige Mantel-Anode im Behältermantel,
– eine zwischen der Boden-Katode und der Mantel-Anode befindliche Isolationswandung,
– die Magnetspule, die radial von der Boden-Katode und der Mantel-Anode periphär beabstandet ist und die Mantel-Anode außerhalb des Behältermantels umgibt, wobei deren Magnetfeld den Boden und das Medium durchsetzt, und
– elektrische Versorgungsleitungen für die Boden-Katode, die Mantel-Anode sowie für die Magnetspule.

Zwischen der Boden-Katode und der Mantel-Anode befinden sich ebenso Behälterisolationswandungen.

Der Behälter kann einen Mantel als Wandung aufweisen, in der die Mantel-Anode in mehrere ringförmige Teilanoden aufgeteilt ist, zwischen denen sich Isolationsringe befinden. Die Teilanoden stehen mit einer Stromversorgungseinheit und einer Steuer-/Regeleinrichtung in Verbindung, die hardwaremäßig und/oder programmtechnisch ausgebildete Stromregler enthalten, wobei jeder Teilanode ein Stromregler zugeordnet sein kann.

Mit den Stromreglern, die Schalter enthalten können, können die Teilanoden auch abschaltbar ausgebildet sein. Dadurch ist es beim Rühren möglich, mit lokal verschiedenen Stromdichten j zu arbeiten und somit verschiedene, durch die Lorentz-Kraft bedingte Strömungsverhältnisse in dem leitenden flüssigen Medium einzustellen.

Die Erfindung ermöglicht es auch, dass die Rühranlage einfach aufgebaut ist. Es ist auch eine intensive Durchmischung des leitenden flüssigen Mediums mittels der azimutalen und insbesondere der intensivierten meridionalen Mediumbewegungen vorhanden.

Im Wesentlichen braucht keine Heizvorrichtung eingesetzt zu werden, da der fließende elektrische Strom das flüssige Medium selbst aufheizen kann.

Weiterbildungen und spezielle Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung wird anhand mehrerer Ausführungsbeispiele mittels mehrerer Zeichnungen erläutert: Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Rühranlage mit Scheiben-Anode und Scheiben-Katode auf einer in den Behälter einbringbaren Scheibe in Seitenansicht mit behälterinterner, scheibenzugeordneter Magnetspule (durchgezogen gezeichnet) oder alternativ mit behälterexterner Magnetspule (gestrichelt gezeichnet) sowie einen Ausschnitt I aus 1 in 1a und eine zugehörige perspektivische Darstellung in 1b mit einem geöffneten Einschnitt,
2 eine schematische Darstellung der Scheibe im Behälter zur Vorgabe der Randbedingungen für numerische Simulationen des Rührvorgangs mit behälterexterner Magnetspule und für die Darstellungen in den 3 und 6,
3 eine Simulations-Darstellung der meridionalen Verteilung der elektrischen Stromdichte im Bereich der Scheibe in dem elektrisch leitenden flüssigen Medium nach 2 mit einem Potenzial φ_A – φ_K = 10^–4 Volt,
4 eine Simulations-Darstellung der räumlichen Verteilung der zeitgemittelten azimutalen Geschwindigkeit (4a) und der zeitgemittelten meridionalen Geschwindigkeit (4b) bei Einsatz der Scheibe mit behälterexterner Magnetspule in dem Behälter bei einer axialen Magnetflussdicht B_z = 10^–3 Tesla,
5 eine Simulations-Darstellung der meridionalen Verteilung der magnetischen Feldintensität (5a) und des elektrischen Potenzials (5b) der Scheibe mit scheibenzugeordneter, behälterinterner Magnetspule und einem Potenzial φ_A – φ_K = 10^–4 Volt,
6 eine Simulations-Darstellung der räumlichen Verteilung der zeitgemittelten azimutalen Geschwindigkeit (6a) und der zeitgemittelten meridionalen Geschwindigkeit (6b) mit behälterinterner Magnetspule nach 2,
7 eine schematische Darstellung einer zweiten Rühranlage mit mantelinternen, ringförmigen Teilanoden und einer Boden-Katode für das Rühren einer Metallschmelze bei offenem Behälter bezogen auf einen halben Behälter und eine zugehörige perspektivische Darstelllung in 7a mit einem geöffneten Einschnitt,
8 eine schematische Darstellung der dritten Rühranlage mit mantelinternen, ringförmigen Teilanoden sowie einer Boden-Katode und einer Deckel-Katode für das Rühren von Metallschmelze bei geschlossenem Behälter bezogen auf einen halben Behälter,
9 eine Darstellung der Parametergrößenverteilungen in einem offenen Behälter mit einer mittig im Behältermantel angeordneten Mantel-Anode und einer Boden-Katode ähnlich 7 mit einem Potenzial φ_A – φ_K = 10^–4 Volt und einer Magnetflussdichte B_z = 10^–3 Tesla:

9a: eine meridionale Verteilung der elektrischen Stromdichte,
9b: eine räumliche Verteilung der zeitgemittelten azimutalen Geschwindigkeit und
9c: eine räumliche Verteilung der zeitgemittelten meridionalen Geschwindigkeit,

10 eine Darstellung der Parametergrößenverteilungen in einem offenen Behälter mit einer am offenen oberen Bereich im Behältermantel angeordneten Mantel-Anode und einer Boden-Katode ähnlich 7 mit einem Potenzial φ_A – φ_K = 10^–4 Volt und einer Magnetflussdichte B_z = 10^–3 Tesla:

10a: eine meridionale Verteilung der elektrischen Stromdichte,
10b: eine räumliche Verteilung der zeitgemittelten azimutalen Geschwindigkeit und
10c: eine räumliche Verteilung der zeitgemittelten meridionalen Geschwindigkeit sowie

11 eine Darstellung der Parametergrößenverteilungen in einem geschlossenen Behälter mit einer mittig im Behältermantel angeordneten ringförmigen Mantel-Anode sowie einer Boden-Katode und einer Deckel-Katode:

11a: eine meridionale Verteilung der elektrischen Stromdichte,
11b: eine räumliche Verteilung der azimutalen Geschwindigkeit und
11c: eine räumliche Verteilung der meridionalen Geschwindigkeit

8

_A

_K

^–4

_z

^–3

Im Folgenden werden die 1, 1a und 1b gemeinsam betrachtet. In den 1, 1b ist eine elektrisch-magnetische Rühranlage 1 für ein elektrisch leitendes flüssiges Medium 2 in einem Behälter 3 mit einer Katode 5 und einer Anode 6 und einer beide Elektroden 5, 6 umgebenden Magnetspule 9, wobei ein durch das Medium 2 hindurchfließender elektrischer Strom 8 und ein von der Magnetspule 9 erzeugten Magnetfeld 10 sich schneiden, wodurch das Medium 2 bewegt wird, schematisch und perspektivisch dargestellt.
Die Rühranlage 1 enthält erfindungsgemäß

– einen zylindrischen Behälter 3, in den das Medium einfüllbar ist,
– eine im Behälterraum 14 ruhend gehalterte Scheibe 4 mit mindestens einer im zentralen Bereich der Scheibe 4 befindlichen Scheiben-Katode 5 und mit mindestens einer zur Schei ben-Katode 5 radial beabstandeten ringförmigen Scheiben-Anode 6,
– einen zwischen der Scheiben-Katode 5 und der Scheiben-Anode 6 befindlichen Isolationsring 7,
– die Magnetspule 9, die radial von der Scheiben-Katode 5 und der Scheiben-Anode 6 periphär beabstandet ist und die Scheiben-Anode 6 umgibt, wobei deren Magnetfeld 10 die Scheibe 4 und das Medium 2 durchsetzt, und
– elektrische Versorgungsleitungen 11 für die Scheiben-Katode 5, die Scheiben-Anode 6 sowie für die scheibenzugeordnete Magnetspule 9.

Die elektrischen Versorgungsleitungen 11 sind an eine Stromversorgungseinheit 18 angeschlossen, die mit einer Steuer-/Regeleinrichtung 19 in Verbindung steht und die elektrischen und magnetischen Größen j,B dimensionsbezogen nach Vorgaben einstellt.
Vorzugsweise weist die erste Rühranlage 1 in den 1, 1b einen einwandigen zylindrischen Behälter 3 mit den Wandungen – Boden, Behältermantel oder auch Deckel – aus Isolationsmaterial auf. Der Behälter kann auch topfartig, kesselartig od.dgl. ausgebildet sein.
In dem Innenraum 14 des Behälters 3 ist die ruhend gehalterte Scheibe 4 mit der zentralen, zur Achse 21 symmetrischen, ringförmigen Scheiben-Katode 5 und mit der radial beabstandeten ringförmigen Scheiben-Anode 6 eingebracht. Zwischen der Scheiben-Katode 5 und der Scheiben-Anode 6 befindet sich der zur Scheibe 4 gehörende Isolationsring 7. Die Magnetspule 9 kann innerhalb des Behälters 3 und als ein die Scheibe 4 periphär endseitig abschließender, die Scheiben-Anode 6 umgebender Scheibenbestandteil ausgebildet sein. Im zentralen Bereich der Scheibe 4 befindet sich eine vertikal gerichtete, stab-/säulenförmige Haltevorrichtung 15, in der die elektrischen Versorgungsleitungen 11 von außerhalb des Behälters 3 zur Scheiben-Katode 5, zur Scheiben-Anode 6 sowie zur Magnetspule 9 geführt sind. Die Versorgungsleitungen 11 sind voneinander isoliert und finalseitig in der Scheibe 4 geführt angeordnet.
Die Haltevorrichtung 15 kann mit einer oberhalb des Behälters 3 befindlichen steuerbaren Positioniervorrichtung 16 verbunden sein, mit der die Haltevorrichtung 15 vor und während des Rührvorganges axial verschoben werden kann und die die vorgegebene Position der Scheibe 4 während des Rührens arretiert. Die Haltevorrichtung 15 und/oder die Positioniervorrichtung 16 können an einem Gestell 17 gehaltert sein.
Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Rühranlage 1 wird im Folgenden anhand der 1 und 1a erläutert: Nach dem Eintauchen der Scheibe 4 in den Behälterraum 14 mit dem darin befindlichen, elektrisch leitenden flüssigen Medium 2 wird im arretierten Ruhezustand der Scheibe 4 ein elektrischer Strom j 8 zwischen Anode 6 und Katode 5 eingeschaltet, der von der Scheiben-Anode 6 zur Scheiben-Katode 5 im elektrisch leitenden flüssigen Medium 2 fließt. Gleichzeitig wird ein Magnetfeld 10 in der eingeschalteten elektromagnetischen Magnetspule 9 erzeugt. Die Anordnung der Magnetspule 9 hängt von der vorgegebenen Magnetflussdichte B des Magnetfeldes 10 ab. Das innere Magnetfeld 10 der Magnetspule 9 durchflutet den Bereich zwischen der Scheiben-Anode 6 und der Scheiben-Katode 5 der Scheibe 4. Wie auch in 1a gezeigt ist, unterliegen die paraxial senkrecht zur Richtung des elektrischen Stromes j 8 gerichtete Komponente der Magnetflussdichte B des Magnetfeldes 10 und der durch das Medium 2 hindurch fließende elektri sche Strom j 8 der Lorentz-Kraft F 12, die somit das flüssige Medium 2 azimutal bewegt.
Bedingt durch die Fliehkräfte im rotierenden flüssigen Medium 2 entsteht neben der hauptsächlich azimutalen Strömung auch eine meridionale Wirbelausbildung in den Bereichen zum Behältermantel 13 gerichtet.
Die Rühranlage 1 lässt sich zum Rühren von flüssigen Medien mit großen Behältern 3 anwenden, wobei die Scheibe 4 in den Behälterraum 14 in das zu rührende Medium 2 eingebracht wird und zumindest mit der Haltevorrichtung 15 einen bedienbaren elektrisch-magnetischen Mixer 36 darstellt, dessen das Rühren verursachende Lorentz-Kraft F bzw. mit dem die azimutale Rotationsgeschwindigkeit durch Änderungen der Stromstärke j und der Magnetflussdichte B variabel eingestellt werden kann.
Der Behältermantel 13 kann im Falle der Mixerausbildung aus einem Isolationsmaterial, aber auch aus einem Metall bestehen, das dann das gleiche Potenzial wie die Scheiben-Anode 6 aufweist.
Anstelle der scheibenzugehörigen Magnetspule 9 kann, wie in 1 gezeigt ist, eine die Scheiben-Anode 6 und den Behältermantel 13 zugleich umgebende Magnetspule 20 (gestrichelt gezeichnet) nach außerhalb des Behältermantels 13 verlagert und den Behältermantel 13 umfassend angeordnet sein. Zwischen der ringförmigen Scheiben-Anode 6 und der umgebenden behälterexternen Magnetspule 20 mit der Magnetflussdichte B 10' befindet sich dann der Behältermantel 13. Damit kann ein noch größerer Teil des Behälterraumes 14 mit dem flüssigen Medium 2 gefüllt sein, was eine noch bessere Platzausnutzung bedeutet. Wenn ein derartig starkes Magnetfeld 10 gebraucht wird, bei dem eine Abkühlung wegen des Joule-Aufheizungs-Effektes erforderlich ist, so ist die Magnetspule 20 vorzugsweise außerhalb des Behälters 3 angeordnet.
Um die Funktionsweise zu erläutern, sind numerische Simulationen durchgeführt worden. Die Simulationen sind auf den rotationssymmetrischen Fall begrenzt. Die eingesetzten Navier-Stokes-Gleichungen sind in Operator-Form dargestellt: ∇·u → = 0, (1)
Die Projektion der Momentenerhaltungsgleichung für die azimutale Geschwindigkeit hat die folgende Gleichung:
Hierbei sind u_r, u_θ, u_z die Geschwindigkeiten in radialen, azimutaien und axialen Richtungen, μ ist dynamische Viskosität. Die Lorentz-Kraft F_L ist ein Vektorprodukt der elektrischen Stromdichte j → und der magnetischen Induktion B →: FFL → = j→ × B →. (4)
Die Projektionen der Lorentz-Kraft auf die zylindrischen Achsen haben die folgende Gleichungen: FLr = jθBz – jzBθ, (5) FLθ = jzBr – jrBz, (6) FLz =jrBθ – jθBr. (7)
Die Berechnung der Stromdichte erfolgt mit dem Ohmschen Gesetz: j → = σ(E → + u → × B →). (8)
Die Projektionen der elektrischen Stromdichte auf die zylindrischen Achsen haben die folgende Gleichungen: jr = σ(Er + uθBz – uzBθ), (9) jθ = σ(Eθ + uzBr – urBz), (10) jz = σ(Ez +urBθ – uθBr). (11)
Somit haben die Projektionen der Lorentz-Kraft folgende Gleichungen: FLr = σ(–EzBθ – ur(B2z + B2θ + uzBrBz + uθBrBθ), (12) FLθ = σ(EzBr – ErBz – uθ(B2z + B2r ) + Bθ(uzBz + urBz), (13) FLz = σ(ErBθ – uz(B2r +B2θ ) + urBrBz + uθBzBθ). (14)
Hier ist berücksichtigt, daß E_θ= 0 aus Symmetrie-Gründen ist. Die Berechnung der elektrischen Stromdichte erfolgt mit der elektrischen Potenzialgleichung und der Kontinuitätsgleichung für die elektrische Stromdichte: E = – ∇ φ, (15) ∇·j → = 0, (16)
Nach der Transformierung der Gleichungen (9) bis (11), (15),(16) wird die Gleichung für das elektrische Potenzial erhalten:
Die Gleichung (17) ist für die elektrische Potenzialberechnung in dem elektrisch leitenden Medium vorgesehen.
Zur Berechnung des externen magnetischen Feldes, das von der magnetischen Spule erzeugt wird, ist eine Spule mit den Windungen vorgesehen, wobei das Feld von jeder Windung summiert wird. Bφ = 0, (18)

wobei a der Radius der Spulenwindung, n die Zahl der Windungen auf der Spule und I der elektrische Strom in der Spule sind. Dabei sind die Faktoren K_ellip und E folgendermaßen definiert:
Auf der Achse mit dem Radius (r = 0) gilt Folgendes:
Das oben eingeführte Gleichungssystem wurde mittels einem Finiten-Volumen-Finiten-Differenzen-Schema diskretisiert und mit dem SIMPLE Algorithmus berechnet, was in der Druckschrift J.H. Fertiger, M. Peric: Computational Methods for Fluid Dynamics, Springer-Verlag, 3^rd rev. ed., 2002 beschrieben ist.
Wie in den 4, b, 9–11 gezeigt ist, wird die Verteilung der Geschwindigkeit als zeitgemitteltete Geschwindigkeit durch Gleichung (23) dargestellt:
wobei hier i = r, θ, z die Richtungen, Δt das simulierte Zeitintervall der physikalischen Zeit und t die Zeit sind.
Im Folgenden wird die Stromwärme in dem elektrisch leitenden flüssigen Medium abgeschätzt.
Falls die Geschwindigkeit im Vergleich zum Wärmetransport durch thermische Leitfähigkeit gering ist, hat die eindimensionale Energiegleichung die folgende Form:
Nach der Integration durch r wird erhalten:
Bei Annahme, daß die maximale Temperaturdifferenz zwischen der Kathode und der Anode weniger als ein Grad Celsius werden muss, wird Folgendes erhalten:
e, dass die elektrische Feldstärke
ist, wird
Wenn es erforderlich ist, das flüssige Medium aufzuheizen, sollte die elektrische Spannung zumindest sein:
Der Abstand der Anoden auf dem Behältermantel ist
wobei H die Höhe, Δh die Höhe der einzelnen Sektionen und n die Zahl der Anoden sind.
Zur Erläuterung der Auswirkung der Erfindung sind in den folgenden 2 bis 6 Randbedingungen und Darstellungen zu den numerische Simulationen von Rührvorgängen mit dem Mixer 36 im flüssigen Metall 2 angegeben. Die Eingangs-Daten für das elektrisch leitende flüssige Metall 2 sind:

Dichte: ρ = 6000 kg/m³,

Dynamische Viskosität: μ = 2·10^–3 Ns/m²,

Leitfähigkeit: σ = 10⁶ A/Vm.
In 2 ist eine abstrakte Darstellung der Scheibe 4 im Behälter 3 zur Vorgabe der Randbedingungen für numerische Simulationen des Rührvorgangs zur Erklärung der Ausbildung der Lorentz-Kraft F und den Darstellungen in den 3 und 6 gezeigt. Dabei können folgende Randbedingungen gegeben sein:

– die Symmetrieachse 21 des zylindrischen schmalwandigen Behälters 3 mit externer Magnetspule 20,
– die Anordnung der Scheiben-Katode 5 (0–0,005m) und der Scheiben-Anode 6 (0,02–0,025m) auf der Symmetrieebene 22 der Scheibe 4 mit dem Isolatorring 7 (0,005–0,02m),
– eine freie Oberfläche 23 des offenen Behälters 3 sowie
– ein Radius R mit 0,05m und eine Höhe Z mit 0,05m.

In 3 ist eine Simulations-Darstellung der meridionalen Verteilung der elektrischen Stromdichte j an der Scheibe 4 im leitenden flüssigen Medium 2 bezogen auf die 2 gezeigt. Der Strom j verläuft pfeilausgewiesen von der Scheiben-Anode (0,02–0,025m) zur Scheiben-Katode (0–0,005m).
In 4 ist eine Simulations-Darstellung der räumlichen Verteilung der zeitgemittelten azimutalen Geschwindigkeit ( 4a) und der zeitgemittelten meridionalen Geschwindigkeit ( 4b) bei Einsatz der Scheibe mit behälterexterner Magnetspule gezeigt.
In 5 ist eine Simulations-Darstellung der meridionalen Verteilung der magnetischen Feldintensität (5a) und des elektrischen Potenzials (5b) der Scheibe mit scheibenzugeordneter, behälterinterner Magnetspule gezeigt.
In 6 ist eine Simulations-Darstellung der räumlichen Verteilung der zeitgemittelten azimutalen Geschwindigkeit ( 6a) und der zeitgemittelten meridionalen Geschwindigkeit ( 6b) mit behälterinterner Magnetspule nach 2 gezeigt.
Eine in den 7 und 7a gezeigte zweite erfindungsgemäße elektrisch-magnetische Rühranlage 25 für ein elektrisch leitendes flüssiges Medium 2 in einem Behälter 26 mit Katode und Anode und einer die Elektroden umgebenden Magnetspule 20, wobei der durch das Medium 2 hindurchfließende elektrische Strom j 8 und die Magnetflussdichte B 10 sich schneiden, wodurch das Medium 2 bewegt wird, enthält

– den zylindrischen Behälter 26, in den das Medium 2 einfüllbar ist,
– eine im Behälterboden 24 im zentralen Bereich befindliche flache scheiben- oder ringförmige Boden-Katode 5',
– mindestens eine zur Boden-Katode 5' beabstandete ringförmige Mantei-Anode 27 im Behältermantel 13,
– eine zwischen der Boden-Katode 5' und der Mantel-Anode 27 befindliche Isolationswandung 7,
– die Magnetspule 20, die radial gerichtet von der Boden-Katode 5' und der Mantel-Anode 27 aus periphär beabstandet ist und die Mantel-Anode 27 außerhalb des Behältermantels 3 umgibt, wobei das Magnetfeld 10 den Boden 24 und das Medium 2 durchsetzt, und
– elektrische Versorgungsleitungen 11 für die Boden-Katode 5', die Mantel-Anode 27 sowie für die Magnetspule 20.

Die zweite Rühranlage 25, wie in 7 und auch in 7a gezeigt ist, besteht somit aus einem zweiten zylindrischen Behälter 26, dessen Mantel 13 zumindest teilweise die ringartige Mantel-Anode 27 bildet und die Bodenwandung 24 zumindest teilweise mit der zentralen scheiben- oder ringförmigen Boden-Katode 5' versehen ist. Zwischen der Boden-Katode 5 und der Mantel-Anode 27 befinden sich ebenso eine Isolationswandung 7, die teils dem Mantel 13 und teils dem Boden 24 zugeordnet ist. Die Magnetspule 20 ist außerhalb des zweiten Behälters 26 angeordnet und umfasst die Mantel-Anode 27.
Der Behälter 26 kann auch in Detaillierung einer Teilanodenausbildung, wie in 7 gezeigt ist, einen Mantel 13 aufweisen, in dem die Mantel-Anode 27 in mehrere senkrecht zur Behälterachse 22 beabstandet gerichtete ringförmige Teilanoden 27', 27'', 27''', 27^IV , geteilt ist, zwischen denen sich Isolationsringe 7', 7'', 7''' befinden. Der Boden 24 kann mit einer Auflage 28 versehen sein.
Die Boden-Katode 5^'' sowie die ringförmigen Teilanoden 27', 27'', 27''', 27^IV , können mit einer Steuer-/Regeleinrichtung 19 einschließlich einer Stromversorgungseinrichtung 18 in Verbindung stehen, die hardwaremäßig und/oder programmtechnisch ausgebildete Stromregler 29, 29', 29'', 29''' zur Einstellung des Ströme j 8, 8', 8'', 8''' enthalten, wobei jeder Teilanode 27', 27'', 27''', 27^IV ein Stromregler 29, 29', 29'', 29''' zugeordnet ist. Mit den Stromreglern 29, 29', 29'', 29''' können die Teilanoden 27, 27', 27'', 27''', 27^IV , auch abschaltbar ausgebildet sein. Dadurch ist es beim Rühren möglich, mit lokal verschiedenen Stromdichten j 8, 8', 8'', 8''' zu arbeiten und somit verschiedene Strömungsverhältnisse, beruhend auf unterschiedlichen azimutalen Lorentz-Kräften, in dem Medium 2 einzustellen.
In 8 ist eine dritte Rühranlage 30 mit einem geschlossenen Behälter 31 gezeigt. Bei dem geschlossenen Behälter 31 kann sowohl im zentralen Bereich des Bodens 24 die Boden-Katode 5' als auch im zentralen Bereich des Deckels 32 eine Deckel-Katode 33 angeordnet sein. Wesentlich ist es auch, dass im Allgemeinen zwischen Katode und Anode weit entfernte, durch das Medium führende Stromwege vorhanden sind.
Der Behälter 31 kann auch in Detaillierung, wie in 8 gezeigt ist, einen Mantel 13 aufweisen, in dem die Mantel-Anode 27 in mehrere senkrecht zur Behälterachse 22 gerichtete ringförmige Teilanoden 27', 27'', 27''', 27^IV geteilt ist, zwischen denen sich Isolationsringe 7', 7'', 7''' befinden. Der Boden 24 kann auch hier mit einer Auflage 28 versehen sein.
Der geschlossenen Behälter 31 besitzt einen Mediumzufluss 34 und einen Mediumabfluss 35.
Die Boden-Katode 5' sowie die bodennahen, ringförmigen Teilanoden 27''', 27^IV können mit einer Steuer-/Regeleinrichtung 19 einschließlich einer Stromversorgungseinrichtung 18 in Verbindung stehen, die hardwaremäßig und/oder programmtechnisch ausgebildete Stromregler 29, 29''' enthalten, wobei jeder Teilanode 27''', 27^IV ein Stromregler 29, 29''' zugeordnet ist.
Die Deckel-Katode 33 sowie die deckelnahen, ringförmigen Teilanoden 27', 27'' können mit einer Steuer-/Regeleinrichtung 19' einschließlich einer Stromversorgungseinrichtung 18' in Verbindung stehen, die hardwaremäßig und/oder programmtechnisch ausgebildete Stromregler 29', 29'' enthalten, wobei jeder Teilanode 27', 27'' ein Stromregler 29', 29'' zugeordnet ist.
Mit den Stromreglern 29, 29', 29'', 29''' können die Teilanoden 27', 27'', 27''', 27^IV auch abschaltbar ausgebildet sein.
Dadurch ist es beim Rühren möglich, mit lokal verschiedenen Stromdichten j 8, 8', 8'', 8''' zu arbeiten und somit verschiedene, Lorentz-Kraft abhängige Strömungsverhältnisse in dem Medium 2 einzustellen.
Vorzugsweise steht auch die Magnetspule 20 mit der Stromversorgungseinheit 18 in Verbindung.
Zur Erläuterung der Auswirkung der Erfindung sind in den folgenden 9 bis 11 Randbedingungen und numerische Simulationen von Rührvorgängen im flüssigen Metall 2 angegeben. Die Eingangs-Daten für das elektrisch leitende flüssige Metall sind:

Dichte: ρ = 6000 kg/m³,

Dynamische Viskosität: μ = 2·10^–3 Ns/m²,

Leitfähigkeit: σ = 10⁶ A/Vm.
Die Verteilungen der berechneten Daten für den offenen Behälter 26 sind in den 9 und 10 und für einen geschlossenen Behälter 31 in der 11 gezeigt.
In 9 sind die Darstellungen der Parametergrößenverteilungen in einem offenen Behälter 26 mit einer Boden-Katode 5' und einer mittig im Behältermantel 13 angeordneten Mantel-Anode 27 gezeigt:

9a: eine meridionale Verteilung der elektrischen Stromdichte,
9b: eine räumliche Verteilung der zeitgemittelten azimutalen Geschwindigkeit und
9c: eine räumliche Verteilung der zeitgemittelten meridionalen Geschwindigkeit.

In 9b ist die azimutale Rotation des Mediums fast gleichmäßig über den Behälterraum verteilt. In 9c sind sowohl in Bodennähe als auch in der Nähe des offenen Bereiches eine geringe meridionale Wirbelbildung vorhanden.
In 10 sind die Darstellungen der Parametergrößenverteilungen in einem offenen Behälter 26 mit einer Boden-Katode 5^' und einer nahe des oberen, offenen Bereiches des Behältermantels 13 angeordneten Teilanode 27^' gezeigt:

10a: eine meridionale Verteilung der elektrischen Stromdichte,
10b: eine räumliche Verteilung der zeitgemittelten azimutalen Geschwindigkeit und
10c: eine räumliche Verteilung der zeitgemittelten meridionalen Geschwindigkeit.

In 10b erhöht sich im Mittelbereich des Behälterraums die Intensität der azimutalen Rotation. Es verstärkt sich auch, wie in 10c gezeigt ist, die meridionale Wirbelbildung. Die Wirbel sind intensiver als in 9c ausgebildet.
In 11 sind die Darstellungen der Parametergrößenverteilungen in einem geschlossenen Behälter 31 mit einer Boden-Katode 5' und einer Deckel-Katode 33 sowie mit nur einer behältermittigen Mantel-Anode 27 gezeigt:

11a: eine meridionale Verteilung der elektrischen Stromdichte,
11b: eine räumliche Verteilung der zeitgemittelten azimutalen Geschwindigkeit und
11c: eine räumliche Verteilung der zeitgemittelten meridionalen Geschwindigkeit.

In 11b werden die bodenseitigen, deckelseitigen und mittigen azimutalen Rotationen wesentlich verstärkt. Auch die meridionale Wirbelbildung wird, wie in 11c gezeigt ist, we sentlich durch die gemeinsame Anordnung einer Boden-Katode 5' und einer Deckel-Katode 33 verstärkt.
Die Erfindung eröffnet die Möglichkeit, dass das Rühren und damit verbunden das Mischen von elektrisch leitenden flüssigen Medien in zylindrischen Behältern beliebiger Größe ohne einen mittig den Behälterraum verkleinernden Katodenzylinder durchgeführt werden können.
Die Erfindung ermöglicht es auch, dass die Rühranlage einfach aufgebaut ist. Es ist auch eine intensive Durchmischung durch die azimutalen und meridionalen Mediumbewegungen vorhanden.

1: erste Rühranlage
2: elektrisch leitendes flüssiges Medium
3: erster offener Behälter
4: Scheibe
5: Scheiben-Katode
5': Boden-Katode
6: Scheiben-Anode
7: Isolationswandung
7': Isolationsring
7'': Isolationsring
7'': Isolationsring
8: Stromdichte j
8': Stromdichte j
8'': Stromdichte j
8''': Stromdichte j
9: scheibenzugeordnete Magnetspule
10: Magnetflussdichte B
11: erste elektrische Versorgungsleitungen
11': zweite elektrische Versorgungsleitungen
12: Lorentz-Kraft F
13: Behältermantel
14: Behälterraum
15: Haltevorrichtung
16: Positioniervorrichtung
17: Gestell
18: erste Stromversorgungseinheit
18': zweite Stromversorgungseinheit
19: erste Steuer-/Regeleinrichtung
19': zweite Steuer-/Regeleinrichtung
20: behälterexterne Magnetspule
21: Z-Behälterachse
22: Symmetrieebene mit Radius R
23: freie Oberfläche
24: Behälterboden
25: zweite Rühranlage
26: zweiter offener Behälter
27: Mantel-Anode
27': Teilanode
27'': Teilanode
27''': Teilanode
27^IV: Teilanode
28: Auflage
29: Stromregler
29': Stromregler
29'': Stromregler
29''': Stromregler
30: dritte Rühranlage
31: geschlossener Behälter
32: Deckel
33: Deckel-Katode
34: Zufluss
35: Abfluss

36: Mixer
T: Tesla
R: Radius in m
Z: Höhe in m

Claims

Elektrisch-magnetische Rühranlage für elektrisch leitende flüssige Medien in einem Behälter mit Katode und Anode und einer die Elektroden umgebenden Magnetspule, wobei ein durch das Medium hindurchfließender elektrischer Strom und ein von der Magnetspule erzeugtes Magnetfeld sich schneiden, wodurch das Medium bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass sie enthält – einen Behälter (3), in den das Medium (2) einfüllbar ist, – eine im Behälterraum (14) ruhend gehalterte Scheibe (4) mit mindestens einer im zentralen Bereich der Scheibe (4) befindlichen Scheiben-Katode (5) und mit mindestens einer zur Scheiben-Katode (5) radial periphär beabstandeten ringförmigen Scheiben-Anode (6), – einen zwischen der Scheiben-Katode (5) und der Scheiben-Anode (6) befindlichen Isolationsring (7), – die Magnetspule (9), die radial von der Scheiben-Katode (5) und der Scheiben-Anode (6) beabstandet ist und die Scheiben-Anode (6) umgibt, wobei deren Magnetfeld (10) die Scheibe (4) und das Medium (2) durchsetzt, und – elektrische Versorgungsleitungen (11) für die Scheiben-Katode (5), die Scheiben-Anode (6) sowie für die scheibenzugeordnete Magnetspule (9).
Elektrisch-magnetische Rühranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Versorgungsleitungen (11) an eine Stromversorgungseinheit (18) angeschlossen sind, die mit einer Steuer-/Regeleinrichtung (19) in Verbindung steht, wobei die Steuer-/Regeleinrichtung (19) die elektrischen und magnetischen Größen dimensionsbezogen nach Vorgaben einstellt.
Elektrisch-magnetische Rühranlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich im zentralen Bereich der Scheibe (4) eine vertikal gerichtete, stab-/säulenförmige Haltevorrichtung (15) befindet, in der die elektrischen Versorgungsleitungen (11) isoliert von außerhalb des Behälters (3) zur Scheiben-Katode (5), zur Scheiben-Anode (6) sowie zur scheibenzugeordneten Magnetspule (9) geführt sind.
Elektrisch-magnetische Rühranlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (15) mit einer oberhalb des Behälters (3) befindlichen steuerbaren Positioniervorrichtung (16) verbunden ist, mit der die Haltevorrichtung (15) vor und während des Rührvorganges axial verschiebbar ist und die die vorgegebene ruhende Position der Scheibe (4) während des Rührens arretiert.
Elektrisch-magnetische Rühranlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (15) und/oder die Positioniervorrichtung (16) an einem Gestell (17) gehaltert ist.
Elektrisch-magnetische Rühranlage nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe (4) mit der Haltevorrichtung (15) einen bedienbaren elektrisch-magnetischen Mixer (36) darstellt, dessen Rührkraft sowie azimutale Geschwindigkeit und meridionale Wirbelbildung durch Änderungen der Stromstärke j (8, 8', 8'', 8''') und der Magnetflussdichte B (10) variabel eingestellt werden kann.
Elektrisch-magnetische Rühranlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Behältermantel (13) im Falle des elektrisch-magnetischen Mixers (36) aus Isolationsmaterial oder aus Metall besteht, das vorzugsweise das Potenzial der Scheiben-Anode (6) aufweist.
Elektrisch-magnetische Rühranlage nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die die Scheiben-Anode (6) umgebende Magnetspule (20) nach außerhalb des Behältermantels (13) verlagert und den Behältermantel (13) umfassend angeordnet ist.
Elektrisch-magnetische Rühranlage nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einbringbare Scheibe (4) nur die Scheiben-Katode (5) und wahlweise den Isolator (7) enthält, wobei die Scheiben-Anode aus der Scheibe (4) heraus verlagert ist und den ganzen Behältermantel oder zumindest einen Ring des Behältermantels als Mantel-Anode darstellt und radial von der behälterexternen Magnetspule (20) umgeben ist.
Elektrisch-magnetische Rühranlage nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantel-Anode in mehrere ringförmige Mantel-Teilanoden geteilt mit dazwischen befindlichen Isolationsringen im Behältermantel ausgebildet ist.
Elektrisch-magnetische Rühranlage für elektrisch leitende flüssige Medien in einem Behälter mit Katode und Anode und einer die Elektroden umgebenden Magnetspule, wobei ein durch das Medium hindurchfließender elektrischer Strom und ein von der Magnetspule erzeugtes Magnetfeld sich schneiden, wodurch das Medium bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass sie enthält – einen Behälter (26), in den das Medium (2) einfüllbar ist, – eine im Behälterboden (24) im zentralen Bereich befindliche flache scheiben- oder ringförmige Boden-Katode (5'). – eine zur Boden-Katode (5') beabstandete ringförmige Mantel-Anode (27) im Behältermantel (13), – eine zwischen der Boden-Katode (5') und der Mantel-Anode (6) befindliche Isolationswandung (7), – die Magnetspule (20), die radial von der Boden-Katode (5^' ) und der Mantel-Anode (27) periphär beabstandet ist und die Mantel-Anode (27) außerhalb des Behältermantels (13) umgibt, wobei deren Magnetfeld den Boden (24) und das Medium (2) durchsetzt, und – elektrische Versorgungsleitungen (11) für die Boden-Katode (5'), die Mantel-Anode (27) sowie für die Magnetspule (20).
Elektrisch-magnetische Rühranlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (26) einen Mantel (13) aufweist, in dem die Mantel-Anode (27) in mehrere senkrecht zur Zylinderachse (22) gerichtete ringförmige Teilanoden (27', 27'', 27''', 27^IV ) aufgeteilt ist, zwischen denen sich Isolationsringe (7, 7', 7'', 7''') befinden.
Elektrisch-magnetische Rühranlage nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem geschlossenen Behälter (31) im zentralen Bereich des Deckels (32) zusätzlich zur Boden-Katode (5') eine Deckel-Katode (33) angeordnet ist.
Elektrisch-magnetische Rühranlage nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (3, 26) von schützendem Isolationsmaterial umgeben ist.
Elektrisch-magnetische Rühranlage nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (3, 26) topfförmig, kesselförmig, zylindrisch od.dgl ausgebildet ist.
Elektrisch-magnetische Rühranlage nach mindestens einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Boden-Katode (5^' ) und die Deckel-Katode (33) sowie die mantelzugeordneten Teilanoden (27', 27'', 27''', 27^IV ) mindestens mit einer Stromversorgungseinheit (18, 18') und einer Steuer-/Regeleinrichtung (19, 19') in Verbindung ste hen, wobei jeder Teilanode (27', 27'', 27''', 27^IV ) ein Stromregler (29, 29', 29'', 29''') zugeordnet ist, die hardwaremäßig und/oder programmtechnisch ausgebildet sind.
Elektrisch-magnetische Rühranlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromregler wahlweise Schalter enthalten, die die Teilanoden abschaltbar ausbilden.
Elektrisch-magnetische Rühranlage nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass mit den Stromreglern (29, 29', 29'', 29''') beim Rühren lokal verschiedene Stromdichten j (8, 8', 8'', 8''') und verschiedene, durch die Lorentz-Kraft F (12) bedingte Strömungsverhältnisse sowohl im azimutalen als auch begleitend im meridionalen Bewegungsbereich des elektrisch leitenden flüssigen Mediums (2) einstellbar sind.