RU133289U1

RU133289U1 - DEVICE FOR MEASURING LIQUID METAL CONSUMPTION BASED ON ELECTROMAGNETIC PUMP

Info

Publication number: RU133289U1
Application number: RU2013111102/28U
Authority: RU
Inventors: Юрий Васильевич Аксёнов; Леонид Леонтьевич Беренский; Сергей Валентинович Голюк; Виталий Васильевич Кумской; Николай Иванович Логинов
Priority date: 2013-03-12
Filing date: 2013-03-12
Publication date: 2013-10-10

Abstract

1. 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, снабженный токоподводящими шинами и помещенный в магнитное поле.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник магнитного поля выполнен Ф-образной формы с двумя постоянными магнитами, выполненными в форме полуцилиндров и соединенными между собой параллельно магнитопроводами, снабженными полюсными наконечниками.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что рабочий канал снабжен электродами для измерения напряжения и кронштейнами для крепления к магнитопроводам.1. A device for measuring the flow rate of liquid metal based on an electromagnetic pump, containing a magnetic field source, consisting of two permanent magnets connected by magnetic circuits and enclosed in a metal casing of the magnetic system, made of non-ferromagnetic material and filled with heat insulating material; and a working channel for the flow of molten metal, equipped with current-carrying tires and placed in a magnetic field. 2. The device according to claim 1, characterized in that the magnetic field source is F-shaped with two permanent magnets made in the form of half-cylinders and connected together in parallel by magnetic circuits equipped with pole tips. The device according to claim 1, characterized in that the working channel is equipped with electrodes for measuring voltage and brackets for attaching to the magnetic circuit.

Description

Полезная модель относится к области магнитной гидродинамики и может быть использована в экспериментальных и энергетических установках с жидкометаллическими теплоносителями.The utility model relates to the field of magnetic hydrodynamics and can be used in experimental and power plants with liquid metal coolants.

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).Known electromagnetic DC pumps for pumping liquid metals, containing a constant magnetic field source and a working channel equipped with current-carrying tires (I.A. Tyurin. Electromagnetic pumps for liquid metals. Riga: Publishing House of Academy of Sciences of the LaSSR, 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.The working channel is placed in a magnetic field so that the electric current flowing through the channel section between the tires, the magnetic flux and the direction of motion of the liquid metal are mutually perpendicular. The interaction of electric current and magnetic field leads to the appearance of a force forcing the liquid metal to move along the working channel. The direction of the force is determined by the well-known rule of the left hand. The ratio of this force to the cross-sectional area of the channel gives the pressure created by the pump. A magnetic field is created either by permanent magnets or by a direct current electromagnet.

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).Also known are electromagnetic flowmeters for measuring the flow of liquid metals, containing a permanent magnet and a section of the pipeline, equipped with two electrodes connected diametrically opposite to its outer surface (Sherklif J. Theory of electromagnetic flow measurement. M., Mir, 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.When a liquid metal moves along a pipeline placed in a magnetic field, an electromotive force (emf) of induction occurs in the liquid metal, which is proportional to the flow rate. By measuring the potential difference between the electrodes, the liquid flow rate is determined.

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.A common drawback of these devices is that none of these technical solutions individually can provide a comprehensive solution to the problem of pumping and measuring the flow of liquid metal in the circulation circuit. Therefore, two devices are required (pump and flow meter), each of which has a significant size and weight, and a corresponding cost.

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.The objective of this utility model is to eliminate these drawbacks, namely, to provide a comprehensive solution to the problem of pumping and measuring the flow rate of liquid metal in the circulation loop by combining the functions of a pump and a flow meter in one device.

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.To eliminate these drawbacks, a device for measuring the flow rate of liquid metal based on an electromagnetic pump is proposed, comprising a magnetic field source consisting of two permanent magnets connected by magnetic circuits and enclosed in a metal casing of a magnetic system made of non-ferromagnetic material and filled with heat-insulating material, and a working channel for a duct of liquid metal, placed in a magnetic field, equipped with current-carrying tires.

В частных случаях выполнения устройства предлагается:In special cases, the implementation of the device is proposed:

- источник магнитного поля выполнить Ф-образной формы, с двумя постоянными магнитами в форме полуцилиндров и соединить между собой параллельно магнитопроводами, снабженными полюсными наконечниками;- the source of the magnetic field is F-shaped, with two permanent magnets in the form of half-cylinders and connected together in parallel by magnetic circuits equipped with pole tips;

- рабочий канал снабдить электродами для измерения напряжения и кронштейнами для крепления к магнитопроводам.- provide the working channel with electrodes for measuring voltage and brackets for attaching to the magnetic circuit.

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.The technical result consists in expanding the functions of an electromagnetic pump, which will allow pumping liquid metal and measuring its flow rate using one device, reducing the weight, overall dimensions and cost of equipment necessary for pumping liquid metal and measuring its flow rate, in comparison with two separate devices: electromagnetic pump and electromagnetic flow meter.

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.The essence of the utility model is illustrated in figures 1-6, where figure 1 and 2 shows a longitudinal section of the device, figure 3 is a transverse section of the device; figure 4 is a General view of the device, figure 5 is an equivalent electrical diagram of the device; figure 6 - experimental dependence of the output signal of the device from the flow.

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_ж- сопротивление жидкого металла; R_с - сопротивление стенки рабочего канала; I_ж - ток в жидком металле; I_c - ток в стенке рабочего канала.The following designations are used in these figures: 1 — permanent magnet; 2 - magnetic circuit; 3 - casing of the magnetic system; 4 - working channel; 5 - busbar; 6 - pole tip; 7 - electrode; 8 - bracket; I - pump supply current; E is the induction emf; U is the voltage on the wall of the working channel; R _W - resistance of liquid metal; R _with - the resistance of the wall of the working channel; I _W - current in liquid metal; I _c is the current in the wall of the working channel.

Устройство для измерения расхода на основе электромагнитного насоса состоит из источника магнитного поля и помещенного в магнитное поле рабочего канала 4.A device for measuring flow rate based on an electromagnetic pump consists of a magnetic field source and a working channel 4 placed in the magnetic field.

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.The magnetic field source is F-shaped, with two permanent magnets 1 in the form of half-cylinders facing convex sides outward, connected together in parallel by two magnetic cores 2, equipped with pole tips 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.This design of the source of the magnetic field allows you to remove the permanent magnets 1 from the working channel 4 having a high temperature, and their semi-cylindrical shape allows you to reduce the length and weight of the magnetic cores 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.Permanent magnets 1 are made in the form of half-cylinders from a thermostable alloy, for example, UNDK24 or UNDK35T5, which keeps the magnetic properties unchanged at temperatures up to 500-550 ° C.

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.Permanent magnets 1 are interconnected in parallel by two magnetic cores 2. Magnetic cores 2 are made of soft magnetic steel, for example, Art. 20, of a flat shape, with rounded edges corresponding to the semi-cylindrical shape of the permanent magnets 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.Magnetic cores 2 and permanent magnets 1 are enclosed in a casing 3 of the magnetic system made of non-ferromagnetic sheet steel, which is attached to the cores 2. To facilitate assembly, the casing 3 of the magnetic system is made of two identical halves.

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.The free space inside the casing 3 of the magnetic system is filled with insulating material, for example, kaolin wool. This ensures the heating of the working channel 4 and reduces the heating of permanent magnets 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.The working channel 4 for the fluid flow is equipped with current-carrying tires 5 and electrodes 7 for voltage measurement. The working channel 4 is made flat in its working part, located in a magnetic field between the pole pieces 6, turning into a cylindrical shape symmetrically in both directions. The working channel 4 is also equipped with brackets 8 for attachment to the magnetic circuits 2. The material of the working channel is stainless steel.

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.The current-carrying buses 5 are made, like the working channel 4, of stainless steel and integrally with the electrodes 7, which serve to measure the voltage on the working channel 4.

К магнитопроводам 2 крепятся полюсные наконечники 6, концентрирующие магнитное поле в области рабочего канала 4.Pole lugs 6 are attached to the magnetic circuits 2, concentrating the magnetic field in the region of the working channel 4.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

При пропускании через устройство тока I (фиг.5) оно работает как известный электромагнитный насос постоянного тока и прокачивает жидкий металл по рабочему каналу 4.When passing through the device current I (figure 5), it works as a well-known electromagnetic direct current pump and pumps liquid metal through the working channel 4.

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 R₀) R_ж/R₀. Путем измерения напряжения U на электродах 7, тока питания I и сопротивления насоса R₀ определяется эдс Е, индуцированная за счет движения жидкого металла и определяется его расход, как и в обычном магнитном расходомере. Электрическое сопротивление R₀ рабочего канала 4 устройства при нулевом расходе жидкого металла достаточно измерить один раз при рабочей температуре и внести в паспорт устройства. Отношение R_ж/R₀ 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 R₀ и проведена экспериментальная градуировка.When a liquid metal moves in a magnetic field of a device, an electromotive force E is proportional to its flow rate in the liquid metal. As a result, the voltage U appears on the electrodes 7, which is the sum of the voltage drop during the flow of current I and the induced emf E. From the analysis of the equivalent circuit (Fig. 5), the induced emf is determined by the formula E = (UI R ₀ ) R _w / R ₀ . By measuring the voltage U at the electrodes 7, the supply current I, and the resistance of the pump R ₀ , the emf E induced by the motion of the liquid metal is determined and its flow rate is determined, as in a conventional magnetic flow meter. The electrical resistance R _{0 of the} working channel 4 of the device at zero flow rate of liquid metal is sufficient to measure once at operating temperature and enter in the passport of the device. The ratio R _w / R ₀ is a constant for a particular device and is determined by calibration. So, by the measured voltage U at the electrodes 7 of the working channel 4 and the measured power current I of the proposed device, it is possible to unambiguously determine the flow rate created by it if R _{0 has been} previously measured and experimental calibration has been carried out.

Пример конкретного исполнения устройства.An example of a specific implementation of the device.

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.A device for measuring flow rate based on an electromagnetic pump is implemented in practice and tested on an experimental sodium test bench. The working channel 4, made of stainless steel 12X18H9T, had an inner diameter of connecting pipes of 11 mm and an outer diameter of 14 mm. The flat part of the working channel 4 had a width for the liquid metal duct of 3 mm and an outer dimension of 6 mm. Permanent magnets 1 are made in the form of semicylinders with a diameter of 72 mm and a height of 50 mm from the UNDK24 iron-nickel-cobalt alloy, which maintains the stability of magnetic induction at temperatures up to 500 ° C for a long time. The magnetic induction in the gap was 0.2 Tesla.

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.The current-carrying busbars 5 are made of stainless steel 12X18H9T by milling integrally with the electrodes 7. The brackets 8 are welded to the working section 4 and screwed to the magnetic cores 2. The free space inside the casing 3 made of sheet steel 12X18H9T 1 mm thick is filled with kaolin wool.

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 см³/с (360 л/ч) индуцированная эдс составляет 5 мВ и имеет линейную зависимость от расхода, как это свойственно известным электромагнитным расходомерам.The device was powered by direct current, adjustable from 20 to 200 A. The mass of the device was less than 6 kg. The true sodium flow rate during the tests was determined by the time of filling the measuring tank of known volume. The results of the calibration of the device in the flow meter mode at a supply current of the pump 200 A are shown in Fig.6. At a flow rate of 100 cm ³ / s (360 l / h), the induced emf is 5 mV and has a linear dependence on the flow rate, as is characteristic of known electromagnetic flowmeters.

Claims

1. A device for measuring the flow rate of liquid metal based on an electromagnetic pump, containing a magnetic field source, consisting of two permanent magnets connected by magnetic circuits and enclosed in a metal casing of the magnetic system, made of non-ferromagnetic material and filled with heat insulating material; and a working channel for the flow of molten metal, equipped with current-carrying tires and placed in a magnetic field.

2. The device according to claim 1, characterized in that the magnetic field source is F-shaped with two permanent magnets made in the form of half-cylinders and connected together in parallel by magnetic circuits equipped with pole tips.

3. The device according to claim 1, characterized in that the working channel is equipped with electrodes for measuring voltage and brackets for attaching to the magnetic circuit.