Классификация МГД устройств

Магнитная гидродинамика изучает явления при движении электропроводящих газов и жидкостей в магнитном поле. В металлургии

электропроводными жидкостями являются жидкие металлы и их сплавы.

Воздействуя на жидкие металлы магнитным полем (пульсирующим,

вращающимся, бегущим) можно осуществить ряд технологических операций

необходимых в металлургических процессах. Устройства, принцип действия

которых основан на взаимодействии жидких металлов с магнитным полем,

называют магнитогидродинамическими (МГД- устройства), а технологии с

МГД - устройствами называют МГД-технологиями.

Электродинамической основой действия любой МГД-машины являются уравнения

(1.5.1)

(1.5.2)

Можно применить другой способ выражения электромагнитных полей

через скалярный и векторный потенциалы:

Тогда уравнения (1.5.1) и (1.5.2) запишутся в виде

(1.5.4)

(1.5.5)

Представим бесконечный канал (рис. 1.5.5), заполненный идеальной

жидкостью. На каждую гидродинамическую частицу в таком устройстве

будет действовать электромагнитная сила (1.5.1), где

Сила будет действовать в среде, движущейся со скоростью поэтому кроме приложенной напряженности электрического поля , равной

разности потенциалов между электродами, на частицу проводящей жидкости

будет действовать наведенная напряженность поля электромагнитной

индукции

В итоге плотность текущего тока будет

зависеть также от скорости движения и индукции

магнитного поля (1.5.2). Подставив выражение

(1.5.2) в (1.5.1), получим

где σ - проводимость жидкости.

, (1.5.7)

или в скалярной форме в приближении ориентации векторов,

указанной на рис. 1.5.5,

, (1.5.8)

При условии начала движения из покоящегося состояния получаем

(1.5.9)

Как видно из рис. 1.5.6 за время скорость жидкого металла

приближается к предельному значению, которое принято называть

скоростью дрейфа:

Или в векторном виде:

, (1.5.10)

Скорость дрейфа очень важное понятие в физике плазмы. Когда E параллельна B, скорость дрейфа равняется нулю. Жидкость или проводящий газ движутся только по Рис. 1.5.6

инерции и под действием сил неэлектромагнитного происхождения, например трения. Примером такого движения, по-видимому, является движение газа в спиральных туманностях.

Введём - относительную скорость и так называемое скольжение Безразмерное время запишем как где . Это позволит выражение (4.1.9) переписать в следующем виде:

(1.5.11)

Здесь

Предположим, что на жидкость в канале (рис. 1.5.5) действует также

некоторая объемная сила неэлектромагнитного происхождения, например

сила тяжести при направлении оси ОХ под углом к горизонту или сила, вызванная градиентом давления вдоль оси ОХ

(1.5.12)

Тогда в уравнении (1.5.7) появится дополнительный член

неэлектромагнитного происхождения:

(1.5.13)

Или

(1.5.13)’

В этом случае идеализированный электромагнитный канал, который мы рассматриваем, превращается в МГД-машину, т.е. преобразователь механической энергии в электромагнитную и наоборот. Действительно, приняв те же самые начальные условия, т.е. при t=0 скорость v(t)=0, получаем

(1.5.14)

Предельная скорость приобретает обобщенный вид

(1.5.15)

При помощи этого выражения мы сможем классифицировать различные виды МГД-машин.

1. Режим МГД-насоса (область I на рис. 1.5.7)

Насос – это преобразователь электромагнитной энергии в механическую. Дрейф в этом случае опережает движение, поле увлекает жидкость, энергия от поля переходит в движение. Сила f <0 в этом случае играет роль сопротивления, которое преодолевает электромагнитная сила, т.е. или а это, в свою очередь, позволяет записать и скольжение оказывает в интервале

2. Режим МГД-тормоз (область II на рис. 1.5.7)

Этот режим характеризуется тем, что электроды канала «закорочены» друг на друга и имеют одинаковый потенциал.

В этом случае понятие дрейфа не применяют. В установившемся режиме, т.е. когда v(t)=const , скорость движения определится из соотношения , отсюда

(1.5.16)

Для области II на рис. 1.5.7 можно записать, что v_отн<0, а S>1.

3. Режим МГД-генератора (область III на рис. 1.5.7) В генераторном режиме, т.е. при E<0, при заданном значении напряженности, сила, действующая на единичный объем, должна удовлетворять условию

т.е. , S<0. В этом случае можно сказать, что движение опережает дрейф, а кинетическая энергия движения переходит в электромагнитную.

Рис.1. Классификация МГД устройств

Принцип действия индукционных МГД-устройств

В металлургии большое распространение получили индукционные

МГД – устройства благодаря их бесконтактному воздействию на жидкие

металлы.

Принцип действия индукционных МГД-устройств аналогичный

принципу действия асинхронных электрических двигателей. Как известно из

классической теории электрических машин вращающееся и бегущее

магнитные поля можно получить в устройствах питаемой симметричной

многофазной (m≥2) системой электрических токов. На рисунке 2.1.2

представлены устройства для получения вращающегося а) и бегущего б)

магнитных полей от двухфазной системы напряжения.

Если по двум рамкам, расположенным в перпендикулярных

плоскостях, протекают переменные синусоидальные токи i_а и i_b, сдвинутые

относительно друг друга по фазе на 90 градусов, то во внутреннем

пространстве рамок образуется вращающееся магнитное поле. Вектор

магнитной индукции результирующего магнитного поля является

результатом наложения магнитных полей рамок и вращается с числом

оборотов, об/мин

Рис. 2.1.2. Двухфазная система для получения а) вращающегося и б) бегущего магнитных полей

(5.1.1)

где f - частота токов, Гц; p - число пар полюсов (при двух рамках p=1). Если рамки находятся в одной плоскости (рис. 2.1.2,б) и по ним также протекают электрические токи токи i_а и i_b, то создаваемое рамками результирующее магнитное поле перемещается ("бежит") в плоскости рамок с линейной скоростью, м/с.

(2.1.2)

Рис. 2.1.3. Эскизы цилиндрического а)вращающегося электродвигателя (АД) и б)линейного асинхронного (индукционного электродвигателя поступательного движения):

1 – магнитопровод индуктора; 2 – ротор (вторичная часть; 3 – обмотки индуктора.

активные стороны которых укладывают в пазы ферромагнитных сердечников, цилиндрических (рис. 2.1.3, а) или линейных (рис.2.1.3, б).

Сердечник с катушками называется статором или индуктором. Если внутрь цилиндрического статора поместить цилиндрический ротор и обмотки статора подключить к источнику напряжения, ротор начнет вращаться со скоростью, об/мин

(2.1.3)

где - скольжение.

В линейном индукционном двигателе в качестве ротора выступает электропроводная полоса, которую принято называть вторичной частью. Подключенный к источнику напряжения индуктор будет двигаться относительно вторичной части со скоростью

(2.1.4.)

где - скольжение.

Если индуктор закрепить неподвижно, то с этой же скоростью будет двигаться вторичная часть. Если в цилиндрическом двигателе ротор заменить цилиндрической емкостью с жидким металлом, то при включении индуктора в сеть жидкий металл приходит во вращательное движение. Если линейный индуктор приставить к плоской стенке ванны с жидким металлом, последний начинает двигаться. На рис. 2.1.4 представлена аналогичная симметричная трехфазная система для получения вращающегося а) и бегущего б) магнитных устройств, а на рис. 2.1.5 представлены эскизы трехфазных цилиндрического а) и линейного б) асинхронных двигателей.

На этом принципе основано действие индукционных МГД - устройств.

Рис. 2.1.4. Двухфазная система для получения а) вращающегося и б) бегущего магнитных полей

Рис. 2.1.5. Эскизы трёхфазных а) цилиндрического и б) линейного асинхронных двигателей: 1 – магнитопровод индуктора; 2 – ротор (вторичная часть; 3 – обмотки индуктора.

Конструктивные особенности линейных индукционных машин

По конструкции линейные индукционные машины (ЛИМ) различаются на плоские и цилиндрические. На рис. 2.1.6 - рис. 2.1.8 представлены эскизы плоских, а на рис. 2.1.9 - рис. 2.1.11 представлены эскизы цилиндрических ЛИМ. Как плоские, так и цилиндрические ЛИМ могут выполняться с односторонним и двухсторонним индукторами. Если в ЛИМ вторичной частью является закрытый канал с жидким металлом, то такое устройство представляет собой МГД - насос напорного типа. Если вторичной частью является открытый желоб с жидким металлом (рис. 2.1.8), такое устройство представляет собой МГД- насос ненапорного типа. МГД - насосы с двухсторонним индуктором развивают большой электромагнитный напор, чем с односторонним индуктором. Поэтому плоские МГД - насосы, чаще всего, выполняются двухсторонними. Практическая реализация конструкции цилиндрического двухстороннего МГД - насоса вызывает большие трудности, поэтому МГД - насосы с цилиндрическим каналом, как правило, выполняются односторонними без внутреннего магнитопровода (рис. 2.1.11).

Рис. 2.1.6. Плоский односторонний индукционный насос

Рис.2.1.7. Плоский двухсторонний индукционный насос

Рис. 2.1.9. Цилиндрический индукционный насос с односторонним индуктором.

Рис. 2.1.11. Цилиндрический индукционный насос без внутреннего магнитопровода

Плоские односторонние ЛИМ используются для канального и

бесканального МГД - перемешивания расплавов в печах и миксерах.

6. НАНОТЕХНОЛОГИЯ

В последние годы исследование субмикронных, нано- и кластерных

материалов получило быстрое развитие благодаря существующим и/или

потенциальным применениям во многих технологических областях, таких

как электроника, катализ, магнитное сохранение данных, структурные

компоненты и т.п.

Субмикронные и нанокристаллические металлические и керамические материалы в настоящее время широко применяются в качестве конструкционных элементов и функциональных слоев в современных микро-

электронных устройствах, деталях авиакосмической техники, в качестве

твердых износостойких покрытий обрабатывающей промышленности.

Чтобы удовлетворить технологические требования в указанных областях, размер структурных элементов необходимо уменьшить до субмикронного или нанометрового масштаба. При уменьшении размера структурного элемента до нанометрового диапазона материалы демонстрируют отличные от массивного новые физико-механические свойства. Изучение наноразмерных структур (наноструктур) относится к направлению нанотехнологии. Важными составляющими этого научно-технического направления являются разработка и изучение наноструктурных материалов (далее – наноматериалов), исследование свойств полученных наноструктур в различных условиях. По размерной шкале материалы, имеющие размер зерна от ~ 0,3 до 0,04 мкм, относятся к субмикрокристаллическим [1 – 18].

Материалы, состоящие из структурных единиц меньших, чем указаны выше, относятся к наноматериалам.

Под наноматериалами (нанокристаллическими, нанокомпозитными,

нанофазными и т.д.) принято понимать материалы, структурные элементы

(зерна, кристаллиты, волокна, слои, поры) которых не превышают нанотехнологической границы – 100 нм (1 нм = 10–9 м), по крайней мере, в

одном пространственном направлении. Сами наноматериалы по размерам структурных единиц и числу атомов в них условно делятся на нанокластеры и нанокристаллы.

Если говорить о наноматериалах, то принято выделять несколько основных разновидностей (рис. 1).

Рис.1 Классификация наноматериалов