DE102004044539B4 - Device for moving electrically conductive liquid media - Google Patents
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Abstract
Einrichtung
(1) zum Bewegen von elektrisch leitenden flüssigen Medien mit einem ruhenden Magnetfeld
B und einem Strom j, der von einer Stromquelle (17) geliefert und über Elektroden
(4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11) dem Medium (2) zugeführt wird, wobei zumindest Komponenten
von Magnetfeld B und Strom j senkrecht zueinander stehen und eine
Lorentz-Kraft F erzeugen, die zur Bewegung des Mediums (2) führt, folgende
Bestandteile enthaltend:
– Ein
Isolatorrohr (3), in dem das elektrisch leitende flüssige Medium
(2) strömt,
– mindestens
zwei sich radial gegenüberliegende
Elektrodenpaare (4, 5 und 8, 9; 6, 7 und 10, 11) von länglichen
Katoden (4, 6, 8, 10) und Anoden (5, 7, 9, 11), wobei die Elektrodenpaare
(4, 5; 6, 7; 8, 9; 10, 11) zentralsymmetrisch in der Rohrwand des
Isolatorrohrs (3) angeordnet sind,
– Magnetspulen (12, 13, 14,
15), die außerhalb
des Isolatorrohrs (3) und sich gegenüberliegend, zwischen den Katoden...Device (1) for moving electrically conductive liquid media with a stationary magnetic field B and a current j supplied by a current source (17) and via electrodes (4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11) Medium (2) is supplied, wherein at least components of magnetic field B and current j are perpendicular to each other and generate a Lorentz force F, which leads to the movement of the medium (2), comprising the following components:
An insulator tube (3) in which the electrically conductive liquid medium (2) flows,
At least two pairs of radially opposed electrodes (4, 5 and 8, 9, 6, 7 and 10, 11) of elongate cathodes (4, 6, 8, 10) and anodes (5, 7, 9, 11), the Electrode pairs (4, 5; 6, 7; 8, 9; 10, 11) are arranged centrally symmetrically in the tube wall of the insulator tube (3),
- Magnetic coils (12, 13, 14, 15), the outside of the insulator tube (3) and opposite, between the cathodes ...
Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Bewegen von elektrisch leitenden flüssigen Medien mit einem ruhenden Magnetfeld und einem Strom, der von einer Stromquelle geliefert und über Elektroden dem Medium zugeführt wird, wobei zumindest Komponenten von Magnetfeld und Strom senkrecht zueinander stehen und eine Lorentz-Kraft erzeugen, die zur Bewegung des Mediums führt.The The invention relates to a device for moving electrically conductive liquid Media with a static magnetic field and a current flowing from one Power source delivered and over Electrodes supplied to the medium where at least components of magnetic field and current are perpendicular to each other and produce a Lorentz force, the movement of the medium.
Bei herkömmlichen Einrichtungen zum Bewegen von elektrisch leitenden flüssigen Medien, insbesondere bei elektromagnetischen Pumpenanlagen wird die Kraftwirkung eines Magnetfeldes auf einen stromdurchflossenen Leiter zum Pumpen flüssiger Metalle ausgenutzt. Der elektrische Leiter ist hierbei das flüssige Metall selbst.at usual Means for moving electrically conductive liquid media, especially in electromagnetic pumping systems, the force effect a magnetic field on a current-carrying conductor for pumping liquid Metals exploited. The electrical conductor here is the liquid metal even.
Die Arten der elektromagnetischen Pumpen können in zwei Gruppen eingeteilt werden.The Types of electromagnetic pumps can be divided into two groups become.
Bei der einen Gruppe bewegt sich das Magnetfeld und induziert dabei den Strom, ähnlich wie bei einem Asynchronmotor, in dem elektrisch leitenden flüssigen Medium selbst.at In one group, the magnetic field moves and induces the stream, similar as in an asynchronous motor, in the electrically conductive liquid medium even.
Bei der anderen Gruppe, der auch die Erfindung zuzuordnen ist, ruht das Magnetfeld und der zum Pumpen notwendige Strom wird von einer außerhalb liegenden Stromquelle geliefert und über Elektroden dem flüssigen Medium zu- und abgeführt.at the other group, which is also attributable to the invention rests the magnetic field and the power necessary for pumping is from a outside lying current source and via electrodes to the liquid medium added and removed.
Die erzwungene Bewegung eines elektrisch leitenden flüssigen Mediums ist in der Druckschrift „The Electrodynamics of Fluids", Verlag John Wiley & Sons, 1966 beschrieben. Die erzwungene Bewegung durch sich schneidende konstante elektrische und magnetische Felder werden in verschiedenen Geräten und Anlagen genutzt.The forced movement of an electrically conductive liquid medium is in the publication "The Electrodynamics of Fluids ", publisher John Wiley & Sons, Described in 1966. The forced movement by intersecting constant electric and magnetic fields are in different devices and facilities used.
Eine
Einrichtung zur Flussregelung einer Schmelze ist in der Druckschrift
Ein Problem besteht darin, dass sich im zentralen Bereich des Rohrkanals die länglichen Magnete befinden, die den Metallfluss bremsen. Im Fall der äußeren Anwendung von Magneten ist ein ferromagnetischer Teil in dem Rohrkanal platziert. Die Schmelze bewegt sich im zylindrischen Kanal und schneidet senkrecht das Magnetfeld. Der erzeugte azimutale elektrische Strom wirkt mit dem Magnetfeld und bremst das flüssige Metall.One Problem is that in the central area of the pipe channel the elongated ones There are magnets that brake the metal flow. In the case of external application of magnets, a ferromagnetic part is placed in the pipe channel. The melt moves in the cylindrical channel and cuts vertically the magnetic field. The generated azimuthal electric current participates the magnetic field and slows down the liquid Metal.
Eine
Einrichtung zum Bewegen eines elektrisch leitenden flüssigen Mediums
in Form einer Druckpumpe ist in den Druckschriften
Die Druckpumpe hat eine spirale Form mit einem rechtwinkligen Querschnitt. Ein Paar Elektroden wird in das hohle Innere der supraleitenden Magnetspule eingefügt. Die Anode und die Katode sind kontinuierlich auf gegensätzlichen Seiten des rechtwinkligen Kanals angeordnet.The Pressure pump has a spiral shape with a rectangular cross-section. A pair of electrodes is placed in the hollow interior of the superconducting Magnetic coil inserted. The anode and the cathode are continuously on opposite Arranged sides of the rectangular channel.
Ein Problem besteht darin, dass der Ausgang des Kanals rechtwinklig ist. Deshalb ist die Wirbelbildung des flüssigen Mediums im rechtwinkligen Kanal sehr hoch.One Problem is that the output of the channel is rectangular is. Therefore, the vortex formation of the liquid medium in the rectangular Channel very high.
Eine
elektromagnetische Pumpe für
ein elektrisch leitfähiges
flüssiges
Medium ist in der Druckschrift
Ein Problem besteht darin, dass der Kanal für das flüssige Medium, das durch die Anlage gepumpt wird, nur einen rechtwinkligen Querschnitt hat. Die Elektroden sind zueinander gegenüberliegend. Es ist keine Wirbelbildung vorhanden.One Problem is that the channel for the liquid medium, which through the Plant is pumped, only has a rectangular cross-section. The Electrodes are opposite each other. There is no vortex formation.
Eine
magnetohydrodynamische Pumpe mit kreisförmigen Ankerzweigen ist in
der Druckschrift
Durch das Innenrohr fließt keine Flüssigkeit, sondern die Flüssigkeit fließt nur in koaxialer Richtung durch die Teilräume, die von zwei Stahlrohren unterschiedlichem Durchmesser gebildet werden, zwischen denen die Flüssigkeit transportiert wird. Der Einsatz von zwei Stahlrohren stellt einen großen Materialaufwand dar.By the inner tube flows no liquid, but the liquid flows only in coaxial direction through the subspaces, by two steel tubes different diameters are formed, between which the liquid is transported. The use of two steel tubes represents one huge Cost of materials.
Eine
hydraulische Pumpe ist in der Druckschrift
- – ein Paar von Elektroden gegenüberliegend in einem Pumpengehäuse zur Ausbildung eines Öl-Durchgangs angeordnet, in dem leitfähiges hydraulisches Öl fließt, was einen Stromdurchgang hauptsächlich senkrecht zum Öldurchgang ausbildet, und
- – eine elektromagnetische Spule vorhanden, wobei ein das Magnetfeld erzeugendes Mittel aus dem Gehäuse Magnetfelder erzeugt, die hauptsächlich senkrecht sowohl zum Öl als auch zum Stromdurchgang gerichtet sind. Deshalb wird das Öl durch eine elektromagnetische Kraft geführt, die gemäß der Flemingschen Linkshandregel erzeugt wird, um die Transportrichtung des Öls oder um den Förderdruck oder den Flussdurchsatz in Bezug auf die Polarität der angelegten Spannung frei zu variieren, wobei eine hohe Antriebseffektivität vom niedrigen Druck zu hohem Druck erzeugt werden soll.
- - A pair of electrodes disposed opposite in a pump housing to form an oil passage in which conductive hydraulic oil flows, which forms a current passage mainly perpendicular to the oil passage, and
- - An electromagnetic coil is present, wherein a magnetic field generating means from the housing generates magnetic fields, which are directed mainly perpendicular to both the oil and the current passage. Therefore, the oil is guided by an electromagnetic force generated according to Fleming's left hand rule to freely vary the transport direction of the oil or the discharge pressure or the flow rate with respect to the polarity of the applied voltage, with high driving efficiency from the low pressure high pressure to be generated.
Das durch das im Rohrgehäuse fließende elektrisch leitende Öl fließt in axialer Richtung durch das Rohr. Die Elektroden sind zum Rohrgehäuse isoliert.The through that in the tube housing flowing electrically conductive oil flows in the axial direction through the pipe. The electrodes are insulated from the tube housing.
Ein Problem besteht darin, dass durch die Anlage der Elektroden der volle Querschnitt des Rohres für den Öltransport nicht genutzt wird. Im Gegenteil, die innerhalb des Rohres befindlichen Elektroden und die Isolation wirken bremsend auf den Durchfluss des Öls.One Problem is that by the installation of the electrodes of the full cross-section of the pipe for oil transport not used. On the contrary, those located inside the tube Electrodes and the insulation have a braking effect on the flow of the oil.
Eine
magnetohydrodynamische (MHD)-Pumpe bzw. -Mischpumpe zur Mikrobearbeitung
ist in der Druckschrift
In der MHD-Pumpe ist eine axiale Strömungsrichtung der Flüssigkeit in einem querschnittsmäßig viereckigen Kanal vorgesehen. Es sind auch zum Durchgangsgehäuse versetzte oder variierbare Elektroden vorhanden, die auch längs der Axialachse versetzt sein können.In The MHD pump is an axial flow direction of the liquid in a quadrangular cross-section Channel provided. There are also staggered or variable passage housing Electrodes present, which are also longitudinal the axial axis can be offset.
Ein Problem besteht darin, dass durch Anordnung des magnetischen Feldes und die Versetzung längs der Axialachse eine die axiale Strömung vermindernde Verwirbelung, aber dafür eine starke Vermischung von zwei verschiedenen und elektrisch leitenden Flüssigkeiten erfolgt.A problem is that by arranging the magnetic field and the displacement along the axial axis, a swirling which reduces the axial flow, but a strong mixing of two different and electrically conductive liquids takes place.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Bewegen von elektrisch leitenden flüssigen Medien anzugeben, die derart geeignet aufgebaut ist, dass die Turbulenzen im Kanal verringert werden und die Strömung derart ausgebildet ist, dass der Wärmeübergang zwischen dem Medium und der Kanalwandung verbessert wird.Of the Invention is based on the object, a device for moving of electrically conductive liquid Specify media that is designed so that the turbulence be reduced in the channel and the flow is designed such that the heat transfer between the medium and the channel wall is improved.
Die
Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die
Einrichtung zum Bewegen von elektrisch leitenden flüssigen Medien
mit einem ruhenden Magnetfeld B und einem Strom j, der von einer
Stromquelle geliefert und über
Elektroden dem Medium zugeführt
wird, wobei zumindest Komponenten von Magnetfeld B und Strom j senkrecht
zueinander stehen und eine Lorentz-Kraft F erzeugen, die zur Bewegung
des Mediums führt,
enthält gemäß Patentanspruch
1 folgende Bestandteile:
- – Ein Isolatorrohr, in dem das elektrisch leitende flüssige Medium strömt,
- – mindestens zwei sich radial gegenüberliegende Elektrodenpaare von länglichen Katoden und Anoden, wobei die Elektroden paare zentralsymmetrisch in der Rohrwand des Isolatorrohrs angeordnet sind,
- – Magnetspulen, die außerhalb des Isolatorrohrs und sich gegenüberliegend, zwischen den Katoden und den Anoden eines Elektrodenpaares angeordnet sind, wobei die Magnetspulenanzahl der Elektrodenpaaranzahl entspricht und
contains according to claim 1 the following components:
- An insulator tube in which the electrically conductive liquid medium flows,
- At least two radially opposed electrode pairs of elongate cathodes and anodes, wherein the electrode pairs are arranged centrally symmetrically in the tube wall of the insulator tube,
- - Magnet coils, which are arranged outside of the insulator tube and opposite, between the cathodes and the anodes of a pair of electrodes, wherein the number of magnetic coils corresponds to the number of electrode pairs and
Die Elektrodenpaare und die Magnetspulenpaare sind einander zugeordnet.The Electrode pairs and the magnet coil pairs are associated with each other.
Die Katoden und Anoden sind im Wesentlichen länglich ausgebildet und auf dem Isolatorrohr parallel zueinander gerichtet azimutal angeordnet.The Cathodes and anodes are essentially elongated and on the insulator tube directed parallel to each other azimuthally.
Die Elektrodenpaare sind mit einer Stromversorgungseinheit über elektrische Versorgungsleitungen verbunden.The Electrode pairs are connected to a power supply unit via electrical Supply lines connected.
Die Magnetspulen stehen mit einer Stromversorgungseinheit über energetische Versorgungsleitungen in Verbindung.The Solenoids are connected to a power supply unit via energetic Supply lines in connection.
Das Isolatorrohr kann an zwei Metallrohre jeweils stirnseitig angeschlossen sein, wobei sich wahlweise jeweils zwischen den Anschlüssen Übergangselemente, insbesondere Thermoisolator-Scheiben befinden.The Insulator tube can be connected to two metal pipes on the front side be, optionally between each of the terminals transition elements, in particular thermo-isolator discs are located.
Im Bereich der Katoden und Anoden sind das Magnetfeld Br, die Stromkomponente jθ und die zugehörige Lorentz-Kraft Fz in axialer Richtung vorhanden, wobei die Stromkomponente jθ jeweils von der Anode zur Katode im flüssigen Medium verläuft.In the region of the cathodes and anodes, the magnetic field B r , the current component j θ and the associated Lorentz force F z are present in the axial direction, the current component j θ in each case extending from the anode to the cathode in the liquid medium.
Das radiale Magnetfeld Br – die Magnetflussdichte – ist durch die gleichpolige Gegenüberstellung (entweder Südpol oder Nordpol) der Magnetspulen bedingt radial bezogen auf das Zentrum gerichtet.The radial magnetic field B r - the magnetic flux density - is due to the Gleichpolige juxtaposition (either south pole or north pole) of the magnetic coils directed radially relative to the center.
Zur Verbesserung der Wärmeübertragung zwischen dem flüssigen Medium und dem Isolatorrohr ist die spiralförmige Fortbewegung des flüssigen Mediums im zylindrischen Isolatorrohr vorhanden, die darauf basiert, dass die zu einem Elektrodenpaar gehörenden Anoden und Katoden zueinander in axialer Richtung versetzt sind.to Improvement of heat transfer between the liquid Medium and the insulator tube is the spiraling movement of the liquid medium present in the cylindrical insulator tube based on that belonging to a pair of electrodes Anodes and cathodes are offset from each other in the axial direction.
Die Katoden sind gegenüber den Anoden um die Verschiebung v in Strömungsrichtung des Mediums versetzt, wobei die Magnetspulenpaare sich mit ihrem Südpol S bzw. Nordpol N gegenüberstehen. Stehen sich die Magnetspulen mit ihrem Nordpol jeweils gegenüber, so wird bei gleicher Anordnung der Elektrodenpaare eine Strömung in die andere Richtung der Rohrlängsachse herbeigeführt. Durch gleichzeitigen Wechsel der sich gegenüberliegenden Pole von Südpol zu Nordpol oder umgekehrt kann die Bewegungsrichtung des flüssigen Mediums somit umgekehrt werden.The Cathodes are opposite the anodes are offset by the displacement v in the flow direction of the medium, wherein the pairs of magnetic coils face each other with their south pole S and north pole N, respectively. Are the magnetic coils with their north pole opposite each other, so is a flow in the same arrangement of the electrode pairs the other direction of the pipe axis brought about. By simultaneously changing the opposite poles from south pole to North pole or vice versa, the direction of movement of the liquid medium thus be reversed.
Die Einrichtung zum Bewegen von elektrisch leitenden flüssigen Medien kann in einer Kühlanlage vorhanden und/oder mit einem Kühler über Metallrohre in Verbindung stehen, in dem das Kühlmittel strömt und der Kühler wahlweise mittels einer Anschlusshülse am Metallrohr befestigt ist.The Device for moving electrically conductive liquid media can in a cooling system Available and / or with a cooler over metal pipes communicate in which the coolant flows and the cooler optionally attached to the metal tube by means of a connecting sleeve is.
Eine spiralförmige Mediumbewegung in Strömungsrichtung ist durch die verschobenen Elektroden unter dem Einfluss der beiden gleichpolig (entweder Südpol oder Nordpol) gegenüberliegend angeordneten Magnetspulen vorhanden.A spiral Medium movement in the flow direction is due to the shifted electrodes under the influence of the two homopolar (either south pole or North Pole) opposite arranged magnetic coils available.
Im Folgenden wird die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung zum Bewegen von elektrisch leitenden flüssigen Medien ohne und mit Versetzung der Katoden gegenüber den Anoden in den jeweiligen Elektrodenpaaren näher erläutert. Im Isolatorrohr befindet sich das elektrisch leitende flüssige Medium. Es fließt ein azimutaler elektrischer Strom jθ zwischen den Anoden und den nicht versetzten Katoden, so dass durch die Wechselwirkung mit dem radial gerichteten Magnetfeld Br eine axiale Lorentz-Kraft Fz auf das flüssige Medium wirkt, das durch das Isolatorrohr bewegt, insbesondere gepumpt wird. Obwohl mindestens zwei Elektrodenpaare für eine zweckmäßige Strömungserzeugung erforderlich sind, sind die Anoden und die Katoden derselben derart angeordnet, dass von einer Anode eines Elektrodenpaares jeweils ein Strom zur Katode des benachbarten Elektrodenpaares innerhalb des flüssigen Mediums fließt. Da die jeweiligen Magnetfelder zwischen Anode und Katode gleich welcher Nachbarschaft im Wesentlichen in radialer Richtung gerichtet sind, wird eine Lorentz-Kraft Fz längs der z-gerichteten Isolatorrohrachse erhalten. Die Lorentz-Kraft Fz ist vom Zentrum bis zur Isolatorrohrwandung in Abhängigkeit vom Radius stetig steigend ausgebildet.The operation of the device according to the invention for moving electrically conductive liquid media without and with displacement of the cathodes relative to the anodes in the respective electrode pairs will be explained in more detail below. In the insulator tube is the electrically conductive liquid medium. An azimuthal electric current j θ flows between the anodes and the non-offset cathodes, so that, due to the interaction with the radially directed magnetic field B r, an axial Lorentz force F z acts on the liquid medium moving through the insulator tube, in particular pumped becomes. Although at least two pairs of electrodes are required for proper flow generation, the anodes and the cathodes thereof are arranged such that a current flows from an anode of a pair of electrodes to the cathode of the adjacent pair of electrodes within the liquid medium. Since the respective magnetic fields between the anode and the cathode are directed essentially in the radial direction regardless of which neighborhood, a Lorentz force F z is obtained along the z-directional insulator tube axis. The Lorentz force F z is formed from the center to the Isolatorrohrwandung depending on the radius steadily increasing.
Infolge der erfindungsgemäßen Versetzung der Katode gegenüber der Anode innerhalb eines Elektrodenpaares gibt es jeweils einen versetzungsgeneigten Strom mit einer axialen Stromkomponente jz.As a result of the inventive displacement of the cathode relative to the anode within an electrode pair, there is in each case a dislocation-inclined current with an axial current component j z .
Die Wechselwirkung zwischen dem Strom jz und dem Magnetfeld Br erzeugt somit eine azimutale, in Umfangsrichtung gerichtete Komponente der Lorentz-Kraft Fθ = jzBr, so dass das gepumpte flüssige Medium gleichzeitig in eine Drehbewegung, in eine Rührbewegung versetzt wird, die in Zusammensetzung der Komponenten Fz und Fθ eine spiralförmige Strömung erzeugt.The interaction between the current j z and the magnetic field B r thus produces an azimuthal, circumferentially directed component of the Lorentz force F θ = j z B r , so that the pumped liquid medium is simultaneously set in a rotary motion, in a stirring motion, which generates a spiral flow in composition of the components F z and F θ .
Die Erfindung eröffnet die Möglichkeit, dass in der rohrförmigen Ausführung der Einrichtung eine Bewegung für den Transport des Mediums in Form einer elektrisch-magnetischen Pumpe erzeugt und gleichzeitig durch die Drehbewegung des Mediums eine Rührwirkung ermöglicht wird, die insbesondere die Wandung des Isolatorrohres derart intensiv berührt, dass zusätzlich eine intensive Wärmeübertragung gewährleistet ist.The Invention opened the possibility, that in the tubular execution the establishment of a movement for the transport of the medium in the form of an electric-magnetic Pump generated and at the same time by the rotational movement of the medium a stirring effect allows is, in particular the wall of the insulator tube so intense touched, that in addition an intense heat transfer guaranteed is.
Die erfindungsgemäße Einrichtung kann als Einsatz, Aufsatz und/oder Nachsatz in Anlagen integriert sein, in denen elektrisch leitendes flüssiges Medium gefördert, transportiert, rotiert, gepumpt und/oder angetrieben werden soll und somit im Allgemeinen bewegt wird.The inventive device can be integrated as an insert, attachment and / or trailer in systems, in which electrically conductive liquid Medium promoted, transported, rotated, pumped and / or driven and thus generally being moved.
Die erfindungsgemäße Einrichtung ist beispielsweise in einer Stranggießanlage in Verbindung mit einer Kühlvorrichtung oder in Kühlanlagen der Kernenergietechnik, in denen elektrisch leitendes flüssiges Metall als Wärmetransportmedium dient, einsetzbar.The inventive device is for example in a continuous casting in conjunction with a cooler or in refrigeration systems of nuclear engineering, in which electrically conductive liquid metal as Heat transport medium serves, can be used.
Weiterbildungen und detaillierte Ausbildungen der Erfindung sind in weiteren Unteransprüchen angegeben.further developments and detailed embodiments of the invention are set forth in further subclaims.
Die Erfindung wird anhand mehrerer Ausführungsbeispiele mittels mehrerer Zeichnungen näher erläutert.The Invention will be described with reference to several embodiments by means of several Drawings closer explained.
Es zeigen:It demonstrate:
Die Bezugszeichen werden für Teile mit gleichen Funktionen weitgehend durchgehend beibehalten.The Reference numerals are for Parts with the same functions are largely maintained throughout.
Im
Folgenden werden die
- – Ein
Isolatorrohr
3 , in dem das elektrisch leitende flüssige Medium2 strömen kann, - – mindestens
zwei sich radial gegenüberliegende
Elektrodenpaare
4 ,5 und8 ,9 sowie6 ,7 und10 ,11 von länglichen Katoden4 ,6 ,8 ,10 und Anoden5 ,7 ,9 ,11 , wobei die Elektrodenpaare4 ,5 ;6 ,7 ;8 ,9 ;10 ,11 zentralsymmetrisch in der Rohrwand des Isolatorrohrs3 angeordnet sind, - – Magnetspulen
12 ,13 ,14 ,15 , die außerhalb des Isolatorrohrs3 sich gegenüberliegend, zwischen den Katoden4 ,6 ,8 ,10 und den Anoden5 ,7 ,9 ,11 , eines Elektrodenpaares4 ,5 ;6 ,7 ;8 ,9 ;10 ,11 angeordnet sind, wobei die Magnetspulenanzahl der Elektrodenpaaranzahl entspricht und
- - An insulator tube
3 in which the electrically conductive liquid medium2 can flow - - At least two radially opposite electrode pairs
4 .5 and8th .9 such as6 .7 and10 .11 of elongated cathodes4 .6 .8th .10 and anodes5 .7 .9 .11 , where the pairs of electrodes4 .5 ;6 .7 ;8th .9 ;10 .11 Centrally symmetrical in the tube wall of the insulator tube3 are arranged - - Magnetic coils
12 .13 .14 .15 that are outside the insulator tube3 Opposite, between the cathodes4 .6 .8th .10 and the anodes5 .7 .9 .11 , a pair of electrodes4 .5 ;6 .7 ;8th .9 ;10 .11 are arranged, wherein the number of magnetic coils corresponds to the electrode pair number and
Vorzugsweise
sind die Katoden
Vorzugsweise
ragen alle Elektroden
Die
Elektrodenpaare
Ebenso
stehen die Magnetspulen
Die
Elektrodenpaare
In
In
In
Im
Folgenden wird die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung
Die
Anzahl der Elektrodenpaare hängt
vom Leistungsbedarf ab. Je kleiner der Abstand a zwischen einer
Katode, z. B.
The number of electrode pairs depends on the power requirement. The smaller the distance a between a cathode, z. B.
Dabei
wird eine axiale Lorentz-Kraft Fz = – jθBr erzeugt durch die Wechselwirkung zwischen
dem azimutal elektrischen Strom je σ(Eθ +
uz·Br – ur·Bz), der in dem flüssigen Medium
In
Zur
Erläuterung
der Funktionsweise der Einrichtung zum Bewegen von elektrisch leitenden
flüssigen Medien
sowie zur Berechnung der Verteilungen von Strömen, Potenzialen und Geschwindigkeiten
im Medium
Die
Lorentz-Kraft
Die
Projektionen der Lorentz-Kraft
Um
die Stromdichte zu berechnen, wird das Ohmsche Gesetz benutzt:
Die
Projektionen der elektrischen Stromdichte auf die zylindrischen
Achsen haben die folgende Form:
Hier ur, uθ, uz sind die Geschwindigkeiten in radialen, azimutalen→ und axialen Richtungen; μ ist die dynamische Viskosität.Here u r , u θ , u z are the velocities in radial, azimuthal → and axial directions; μ is the dynamic viscosity.
Wenn
das flüssige
Medium
Um
die neben der axialen Bewegung noch eine Drehbewegung zu erhalten,
sind die Katoden relativ zu den Anoden in axialer Richtung in Strömungsrichtung
verschoben (
Zweckmäßig ist
deshalb auch eine Abschätzung
der entstehenden Stromwärme
in dem elektrisch leitenden flüssigen
Medium:
Falls die Geschwindigkeit im Vergleich zum Wärmetransport
durch die thermische Leitfähigkeit
gering ist, hat die eindimensionale Energiegleichung die folgende
Form: wobei der erste Term den
Wärmetransport
und der zweite Term die Wärmeerzeugung
durch den elektrischen Strom definieren.Therefore, an estimation of the resulting current heat in the electrically conductive liquid medium is also useful:
If the velocity is low compared to the heat transport due to the thermal conductivity, the one-dimensional energy equation has the following form: wherein the first term defines the heat transfer and the second term defines the heat generation by the electrical current.
Nach der Integration durch den Radius r entsteht: wobei ΔθK-A – der Winkel zwischen der Katode und der Anode ist.After the integration by the radius r arises: where Δθ KA - is the angle between the cathode and the anode.
Falls angenommen wird, dass die maximale Temperaturdifferenz zwischen der Katode und der Anode auf der Rohroberfläche weniger als ein Grad Celsius sein soll, wird Folgendes erhalten: If it is assumed that the maximum temperature difference between the cathode and the anode on the pipe surface should be less than one degree centigrade, the following is obtained:
Falls auch angenommen wird, dassist, wird erhalten: wobei Δφ – die Potentialdifferenz zwischen der Katode und der Anode; R – der Rohrradius; λ – der Koeffizient der Wärmeleitfähigkeit; σ – der Koeffizient der Leitfähigkeit Wenn es erforderlich ist, das flüssige Medium aufzuheizen, muss die elektrische Spannung mindestens sein: If it is also assumed that is, is obtained: where Δφ - the potential difference between the cathode and the anode; R - the pipe radius; λ - the coefficient of thermal conductivity; σ - the coefficient of conductivity When it is necessary to heat up the liquid medium, the electrical voltage must be at least:
Für die flüssigen Metalle beträgt die Potenzialdifferenz zwischen der Katode und der Anode Δφ etwa 10–3 V.For the liquid metals, the potential difference between the cathode and the anode Δφ is about 10 -3 V.
Die angegebenen Gleichungen dienen zur Berechnung und Ausbildung der in den Figuren dargestellten Verteilungen der Ströme, Potenziale und Geschwindigkeiten.The given equations are used for the calculation and training of the distributions of the currents, potentials shown in the figures and speeds.
In
Um
auch die Wärmeübertragung
zwischen dem flüssigen
Medium
Um
die Mediumdrehbewegung in axialer z-Richtung
Bei
einer spiralförmigen
Bewegung des flüssigen
Mediums
Als
Anwendungsbeispiel für
eine spiralförmige
Fortbewegung mit eingeschlossener verbesserter Wärmeübertragung kann die erfindungsgemäße Einrichtung
In
folgenden Daten angewendet: In
following data applied:
Die
erfindungsgemäße Einrichtung
Die
Stranggießanlage
Der
aus dem Kokillenbehälter
Die
elektromagnetische Kräfte
werden in beide Richtungen – senkrecht
und parallel – zur
Gießachse
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es auch, die Qualität der inneren und äußeren Struktur der stranggegossenen Metalle zu verbessern.One Another object of the present invention is also to improve the quality of the interior and outer structure of to improve continuously cast metals.
Die
Stranggießanlage
Rotations – "rotary" Umrühren und
Translations – "up and down" Umrühren.The continuous casting plant
Rotation - "rotary" stirring and
Translations - "up and down" stirring.
Das
Verfahren besteht darin, dass die Doppelkonvektion der Schmelze
In
den herkömmlichen
Aufbauten einer Stranggießanlage
beginnt die Abkühlung
der Schmelze
Im
Vergleich zum herkömmlichen
Aufbau einer Stranggießanlage
wird mit der aufgesetzten erfindungsgemäßen Einrichtung
Beim
vorhandenen flüssigen
Metall
Da
das Magnetfeld zwischen der Katode und der Linksanode sich in Gegenrichtung
zum Magnetfeld zwischen der Katode und der Rechtsanode befindet,
hat die Lorentz-Kraft, Fz = –jθBr, zwischen jeder Katode und jeder Anode
die gleiche Richtung entlang der Achse. Eine angenäherte Verteilung
der Lorentz-Kraft entlang des Radius kann wie in der
Infolge
der Versetzung der Katoden bezüglich
der Anoden gibt es die Axialkomponente des Stroms jz, die
beim Zusammenwirken mit Br die Azimutalkomponente
der Lorentz-Kraft Fθ = jzBr erzeugt. Diese Kraft treibt die Drehbewegung
des flüssigen
Metalls
In
- 11
- EinrichtungFacility
- 22
- elektrisch leitendes flüssiges Mediumelectrical conductive liquid medium
- 33
- Isolatorrohrinsulating tube
- 44
- erste Katodefirst cathode
- 55
- erste Anodefirst anode
- 66
- zweite Katodesecond cathode
- 77
- zweite Anodesecond anode
- 88th
- dritte Katodethird cathode
- 99
- dritte Anodethird anode
- 1010
- vierte Katodefourth cathode
- 1111
- vierte Anodefourth anode
- 1212
- erste Magnetspulefirst solenoid
- 1313
- zweite Magnetspulesecond solenoid
- 1414
- dritte Magnetspulethird solenoid
- 1515
- vierte Magnetspulefourth solenoid
- 1616
- Längsachselongitudinal axis
- 1717
- erste Stromversorgungseinheitfirst Power supply unit
- 1818
- erste Versorgungsleitungen first supply lines
- 1919
- zweite Versorgungsleitungensecond supply lines
- 2020
- zweite Stromversorgungseinheitsecond Power supply unit
- 2121
- energetische Versorgungsleitungenenergetic supply lines
- 2222
- erstes Metallrohrfirst metal pipe
- 2323
- zweites Metallrohrsecond metal pipe
- 2424
- erstes Übergangselementfirst transition element
- 2525
- zweites Übergangselementsecond transition element
- 2626
- Kühlanlagerefrigeration Equipment
- 2727
- Kühlercooler
- 2828
- Kühlmittelcoolant
- 2929
- Anschlusshülseconnecting sleeve
- 3030
- spiralförmige Bewegungsrichtungspiral movement direction
- 3131
- Strömungsrichtungflow direction
- 3232
- Stranggießanlagecontinuous casting plant
- 3333
- Kühlvorrichtungcooler
- 3434
- Kühlmittelcoolant
- 3535
- ThermoisolatorringThermal insulator ring
- 3636
- Eintrags-DüseEntry nozzle
- 3737
- freie Oberflächefree surface
- 3838
- Eintragsrichtungentry direction
- 3939
- azimutale Rotationsrichtungazimuthal direction of rotation
- 4040
- meridionale Wirbelrichtungmeridional swirl direction
- 4141
- Erstarrungsmasse-StrangCongealing mass strand
- 4242
- Oberflächesurface
- 4343
- KokillenbehälterKokillenbehälter
- 4444
- Gießachsecasting axis
- 4545
- ThermoisolationsmantelThermal insulation mantle
- Fz F z
- axiale Lorentz-Kraftaxial Lorentz force
- Fr F r
- radiale Lorentz-Kraftradial Lorentz force
- Fθ F θ
- azimutale Lorentz-Kraftazimuthal Lorentz force
- Br B r
- radiale Komponente der Magnetflussdichteradial Component of magnetic flux density
- Bz B z
- axiale Komponente der Magnetflussdichteaxial Component of magnetic flux density
- jz j z
- axiale Komponente der Stromdichteaxial Component of the current density
- jθjθ
- azimutale Komponente der Stromdichteazimuthal Component of the current density
- uz u z
- axiale Geschwindigkeitaxial speed
- ur u r
- radiale Geschwindigkeitradial speed
- uθ u θ
- azimutale Geschwindigkeitazimuthal speed
- ρρ
- Mediumsdichtemedium density
- σσ
- Leitfähigkeitconductivity
- μμ
- dynamische Viskositätdynamic viscosity
- ΔφΔφ
- Potenzialdifferenzpotential difference
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