Тимофеев В.Н. (ред.) Применение магнитогидродинамических устройств в металлургии
Подождите немного. Документ загружается.
204
Рис. 1.3.6. Кривые нагрева узлов насоса
3. Нагрев узлов насоса, когда между стенкой канала, выполненного из
нержавеющей стали, и индуктором имеется теплоизоляция с удельной
теплопроводностью 0.126 Вт/(м град К). Изменения температур узлов насоса с течением
времени показаны на рис. 1.3.7.
Рис. 1.3.7. Кривые нагрева узлов насоса
4. Остывание индуктора и пустого канала, рис. 1.3.8.
205
Рис. 1.3.8. Кривые остывания узлов насоса
1.3.4 Оценка необходимости подогрева металла в канале
В соответствии с технологией расплав цинка должен быть перекачан на
расстояние 10 м со скоростью 0.1 м/с. Следует оценить степень его
охлаждения при движении в канале за этот интервал времени а также
возможность его дополнительного подогрева при помощи индуктора насоса.
Насос в данном случае приобретает вторую функцию – функцию
индукционного нагревателя. В ряде
случаев она может оказаться не менее
важной, чем основная.
Ниже приведены результаты исследования частичного подогрева
металла в канале при включении насоса с различными схемами соединения
обмотки индуктора. Индуктор имеет 9 пазов и перекрывает по длине 9
участков шириной 0.032 м (всего 0.29 м), слева от индуктора металлопровод
занимает 9 участков (всего 0.29 м) и справа – 63 участка (
всего 2.03 м).
Металл прокачивается слева направо со скоростью 0.1 м/с и проходит путь в
10 м за 100с. При отключенном насосе металл за 200с остывает от 500 до 480
градусов. Включение насоса (схема обмотки AZBXCYAZB) позволяет
подогреть металл за счет выделяющихся в нем потерь до 493 градусов.
Изменение схемы включения индуктора ведет к изменению соотношения
206
мощностей, затрачиваемых насосом на перемещение металла и на его нагрев.
Включение обмотки по схеме AAAZZZBBB позволяет подогреть металл
приблизительно до 500 градусов.
В целом схема AZBXCYAZB характеризуется следующими
показателями: тяговое усилие 34 Н, подведенная активная мощность 1.034
кВт, подведенная реактивная мощность 3.454 квар, подведенная полная
мощность 3.6 кВА, достаточно эффективный подогрев металла
обеспечивается лишь при увеличении тока
индуктора. Это ведет, с одной
стороны, к чрезмерному росту тягового усилия (напора), с другой, к
перегреву обмотки индуктора или к увеличению его массогабаритных
показателей.
Схема AAAZZZBBB характеризуется следующими показателями:
тяговое усилие 41 Н, подведенная активная мощность 2.063 кВт, подведенная
реактивная мощность 4.717 квар, подведенная полная мощность 5.15 кВА,
обеспечивается достаточно эффективный подогрев металла при той же
плотности тока в обмотке индуктора, что и в предыдущем случае.
На рис. 1.3.9 и 1.3.10 показаны распределения токов и усилий по
ширине и длине канала для случая схемы соединения обмотки индуктора
AAAZZZBBB. Видно, что эта нетрадиционная схема дает существенно
неравномерное распределение токов и усилия по объему канала. В то же
время она обеспечивает
существенное увеличение потерь мощности в канале
при незначительном росте тягового усилия по сравнению с вариантом
обычной схемы соединения обмотки индуктора.
207
Рис. 1.3.9. Распределение температур по участкам при включенном индукторе насоса для
разных моментов времени (1-начало, 400 – конец цикла работы), обмотка соединена по
схеме AZBXCYAZB
Рис. 1.3.10. То же, что на рис. 1.3.9, но при включении обмотки индуктора по схеме
AAAZZZBBB
208
1.3.5 Оценка влияния степени погружения насоса в металл на его
характеристики
В таблице 1.3.2 сведены значения потребляемой мощности а также
тягового усилия, рассчитанного с детализацией машины по ширине (учебное
пособие для самостоятельной работы) и без детализации с использованием
коэффициента Болтона, для случаев различного уровня металла в канале
(указывается положение верхней границы металла относительно входного
края индуктора при вертикальной установке насоса).
Таблица 1.3.2
Положение
границы
Потребляемая активная
мощность, Вт
Усилие, Н
при
детализации
Усилие,
Н
по
Болтону
Выше индуктора 1586 49.6 56.9
По верхнему краю
индуктора
1601 47.2 53.7
Две трети длины
индуктора
1323 30.2 31.1
Одна треть длины
индуктора
1019 14.3 12.3
Два зубцовых
деления индуктора
984 8.97 5.2
Одно зубцовое
деление
981 2.5 -2.86
По нижнему краю
индуктора
921 -0.35 -5.26
Из рассмотрения таблицы можно заключить, что уже при погружении
насоса в металл всего на два зубцовых деления он создает усилие,
достаточное для поднятия металла до более полного перекрытия им площади
индуктора. Такой насос можно назвать полупогружным.
209
На рис. 1.3.11 показаны картины распределения токов и удельных
усилий в расплаве по ширине канала, рассчитанные с помощью метода
детализированных схем замещения.
IK IC()
а)
FFP()
б)
Рис. 1.3.11. Распределения токов(а) и тяговых усилий (б) по длине и ширине ВЭ при
заполнении канала на два зубцовых деления от входного края индуктора
210
1.3.6 Насос с шунтирующим участком на входе индуктора
Были рассмотрены варианты различной степени заполнения канала
металлом в случае, когда на входном краю индуктора имеется необмотанный
участок сердечника длиной в четыре зубцовых деления (чуть меньше
четверти длины индуктора). Дальнейшее удлинение шунтирующего участка
малоэффективно. На рис. 1.3.12 а и б показаны распределения токов (а) и
усилий (б) по длине и ширине
канала при перекрытии металлом лишь двух
первых зубцовых делений индуктора.
а)
б)
Рис. 1.3.12. Распределение токов (а) и усилий (б) во ВЭ при перекрытии металлом двух
зубцовых делений индуктора
211
Аналогичные распределения токов и усилий показаны на рис. 1.3.13
при перекрытии металлом одного зубцового деления индуктора. Видно, что в
сравнении с прежним исполнением (рис. 1.3.12) получено несколько иное
распределение усилий. Явно выражены поперечные усилия у краев канала.
Если на границе шунтирующего участка с каждого края поставить
поперечные перегородки длиной в одну пятую
ширины канала, как показано
на рис. 1.3.13,б, то создаваемое этими силами давление будет «выдавливать»
металл вверх, заполняя канал и увеличивая тем самым тяговое усилие.
Эффективность насоса существенно повышается.
а)
б)
Рис. 1.3.13. Распределение токов (а) и усилий (б) во ВЭ при перекрытии металлом одного
зубцового деления индуктора
1.3.7 Особенности конструкции насоса со связанными каналами
Как показано на рис. 1.3.14 каналы насоса выполнены автономными
(несвязанными). Такой вариант выбран по двум причинам.
Во-первых, связанные каналы (рис. 1.3.14), повторяющие форму
соленоидальных катушек индуктора, трудно выполнить конструктивно.
Во-вторых, и это самое главное, МГД-насосы работают при
повышенных скольжениях, близких к единице. В связи с этим они должны
212
иметь механическую (расход-напорную) характеристику, близкую к
экскаваторной, что обеспечивается повышенным сопротивлением ВЭ.
Известно, что поперечный краевой эффект увеличивает это сопротивление,
т.е. приближает характеристику к заданной.
а)
канал (вид сверху)
направление движения тока
б)
Рис. 1.3.14. Поперечное сечение (а) и направление тока (б) в связанных каналах насоса
В качестве примера для сравнения в таблице 1.3.3 приведены
характеристики насоса при связанных каналах, а в таблице 1.3.4 – при
автономных каналах (частота питания – 50 Гц). Графические зависимости
некоторых величин от скорости для этих вариантов приведены на рис. 1.3.15
а и б соответственно. Видно, что при связанных каналах механическая
характеристика насоса стала более жесткой, а
пусковое усилие
уменьшилось. Увеличилось также отношение усилия к мощности при
нулевой скорости.
Таблица 1.3.3
ν, м/с s, о.е. η, о.е.
)cos(
, о.е.
P, Вт S, ВА Ft, Н F/S, Н/кВА
1 0 1 0 0.206 1.126·10
3
5.35·10
3
24.054 4.4
2 1.05 0.9 0.024 0.209 1.149·10
3
5.365·10
3
26.066 4.751
3 2.1 0.8 0.051 0.213 1.174·10
3
5.385·10
3
28.33 5.14
4 3.15 0.7 0.081 0.217 1.203·10
3
5.412·10
3
30.835 5.562
5 4.2 0.6 0.114 0.221 1.235·10
3
5.449·10
3
33.502 5.996
6 5.25 0.5 0.149 0.225 1.268·10
3
5.501·10
3
36.095 6.394
7 6.3 0.4 0.185 0.227 1.297·10
3
5.571·10
3
38.074 6.656
8 7.35 0.3 0.215 0.226 1.313·10
3
5.665·10
3
38.413 6.605
9 8.4 0.2 0.23 0.219 1.243·10
3
5.782·10
3
35.64 6.014
213
10 9.45 0.1 0.217 0.206 1.3·10
3
5.906·10
3
28.475 4.718
11 10.5 0 0.156 0.185 1.135·10
3
6.015·10
3
16.918 2.764
12 11.55 -0.1 0.032 0.16 988.859 6.082·10
3
2.725 0.442
13 12.6 -0.2 -0.173 0.135 829.281 6.094·10
3
-11.418 -1.857
Таблица 1.3.4
ν, м/с s, о.е. η, о.е.
)cos(
, о.е.
P, Вт S, ВА Ft, Н F/S, Н/кВА
1 0 1 0 0.245 1.445·10
3
5.707·10
3
45.591 7.745
2 1.05 0.9 0.033 0.245 1.444·10
3
5.722·10
3
45.625 7.732
3 2.1 0.8 0.066 0.244 1.443·10
3
5.742·10
3
45.61 7.703
4 3.15 0.7 0.099 0.242 1.441·10
3
5.77·10
3
45.47 7.646
5 4.2 0.6 0.132 0.24 1.438·10
3
5.806·10
3
45.068 7.534
6 5.25 0.5 0.162 0.237 1.431·10
3
5.854·10
3
44.177 7.331
7 6.3 0.4 0.189 0.233 1.417·10
3
5.914·10
3
42.445 6.979
8 7.35 0.3 0.208 0.226 1.39·10
3
5.988·10
3
39.391 6.408
9 8.4 0.2 0.215 0.216 1.345·10
3
3.072·10
3
34.479 5.544
10 9.45 0.1 0.202 0.203 1.275·10
3
6.16·10
3
27.302 4.34
11 10.5 0 0.159 0.185 1.177·10
3
6.242·10
3
17.864 2.812
12 11.55 -0.1 0.074 0.165 1.056·10
3
6.307·10
3
6.749 1.056
13 12.6 -0.2 -0.068 0.144 920.877 6.344·10
3
-4.991 -0.779
В таблице 1.3.5 приведены основные показатели насоса со связанными
каналами, аналогичные таблице 1, при разных частотах и неподвижном ВЭ, а
на рис. 1.3.16 сравнение некоторых из этих показателей для рассматриваемых
вариантов исполнения каналов.
Таблица 1.3.5
f
)cos(
P S F
t
F
t
/S
5 0.81 883 1090 35.75 32.79
16 0.488 1024 2099 45.94 21.89
33 0.294 1102 3751 32.34 8.78
50 0.206 1126 5467 24.05 4.4
66 0.16 1136 7111 18.92 2.66