ГИДРОМАГНИТ Российский патент 1995 года по МПК H02K44/00 

Изобретение относится к технике получения сильных магнитных полей в больших объемах пространства, а именно электротехнике, магнитной гидродинамике и электроэнергетике.

Гидромагнит это устройство, преобразующее энергию потока жидкой среды в энергию магнитного поля [1]
Прототипом изобретения являются вариант гидромагнита [2] Он содержит камеру с радиальным потоком электропроводной жидкости в осевом магнитном поле кольцевой катушки индуктивности с током. При работе гидромагнита в электропроводной среде возбуждается азимутальное поле замыкающих на себя токов, усиливающее начальное осевое магнитное поле катушки. Коэффициент усиления индукции магнитного поля гидромагнита пропорционален магнитному числу Рейнольдса
Re_m= μ γ ve,
где μ γ v, e магнитная проницаемость, электропроводность, скорость среды и характерный размер камеры соответственно.

Например, если рабочая среда гидромагнита жидкий натрий, то при скорости потока 1 м/с и l ≈ 1 м теоретический коэффициент усилия индукции поля округленно равен ≈ 4.

Главным недостатком этого гидромагнита является большой расход электропроводной жидкой среды, увеличивающийся пропорционально кубу характерного размера. Поэтому для перекачивания среды необходимы насосы весьма большой мощности. В результате резко снижается эффективность работы гидромагнита и его КПД. Другой недостаток в том, что рабочая среда гидромагнита должна иметь высокую электропроводность (например, расплавы металла).

Цель изобретения уменьшить расход электропроводной среды, а в гидромагнитах с низкоэлектропроводной средой (электролиты) соответствующим подбором металлических электродов рабочей зоны создать условия для преобразования химической энергии в электрическую, дополнительно усиливая этим рабочий ток, магнитное поле, а следовательно, и общую эффективность работы гидромагнита.

В гидромагнитах с радиальным потоком электропроводной среды поставленная цель достигается тем, что вместо цилиндрического канала (сосуда) используется линейный канал, а вместо кольцевой катушки индуктивности с током, расположенным вдоль канала, линейный электромагнит, или постоянный магнит, боковые стенки канала снабжены противоположными отверстиями, в которых размещены контактирующие со средой токопроводящие перемычки (шины), изготовленные, например, в виде полуколец из материала с высокой электропроводностью.

В слабопроводящих средах поставленная цель достигается соответствующим подбором материала металлических электродов для данной электропроводной среды электролита (например, Cu, Zn, водный раствор Н₂SO₄ и др.), что позволяет уменьшить контактное сопротивление между электродами и жидкостью, а также использовать дополнительную электрохимическую энергию, преобразуемую в магнитное поле гидромагнита.

В предлагаемом варианте деполяризатором электрохимических элементов служит механическое перемещение среды.

В гидромагните, содержащем внутренние электрохимические источники тока, вспомогательный источник магнитного поля может отсутствовать.

На фиг.1 и 2 изображен гидромагнит со встречными потоками электропроводной среды в линейных каналах, замкнутых между собой массивными металлическими перемычками (шинами) высокой электропроводности; на фиг.3 и 4 схемы гидромагнита с линейным прямоточным каналом и короткозамкнутыми перемычками между его рабочими участками; на фиг.5 и 6 схема гидромагнита, аналогичная схеме, изображенной на фиг.3 и 4, но между электропроводной средой и короткозамкнутыми перемычками (шинами) расположены контактно электроды из различных металлов; на фиг.7 схема гидромагнита на прямоточном линейном канале с двумя коpоткозамкнутыми перемычками в виде двух петель, лежащих на противоположных стенках канала.

На фигурах приняты следующие обозначения:
стенки 1 канала, выходной патрубок 2, электропроводная среда 3, источник первичного (вспомогательного) магнитного поля 4, металлические перемычки (шины) 5, электроды 6. R_o средний радиус канала прототипа; а, b, h длина, ширина и высота рабочего участка канала предлагаемого гидромагнита; V_o средняя скорость потока среды; γ₁ γ₂- электропроводность жидкой среды и перемычки; В_о индукция первичного магнитного поля; В_р индукция поля токов проводимости в среде и перемычках; В=В_о+В_р результирующее магнитное поле гидромагнита: σ_н I_o плотность индуктированного тока и ток проводимости; σ_эх плотность тока в среде, вызванная работой электрохимического источника тока; U_к падение напряжения на контактном сопротивлении между жидкой средой и металлическим электродом; U_эх напряжение, развиваемое электрохимическим элементом.

Предполагаем, что в рабочих зонах гидромагнита векторы , , имеют одну компоненту и все они взаимно перпендикулярны.

Тогда коэффициент усиления магнитного поля гидромагнита
К₁=В/В_о=(1+К₂), (1)
где К₂=К_v+K_эх К_v=B_v/B_o
K_эх=В_эх/B_o B_v+B_эх=В_р.

Расход электропроводной среды гидромагнита
Q=V_oS_o, (2)
где S_o среднее сечение потока среды.

Гидромагнит на жидком натрии (t_o=100^оС; γ₁=10⁷ 1/Ом); К_эх=0; U_к=0).

а) Классическая схема (прототип):
К_v1=Re_m/2 Q₁=2 π R_ohV_o,
б) Предлагаемая схема (фиг.1-4):
К_v2=Re_m/2(1+K₄),
где К₄=( π -2sinα ) γ₁ / 2 γ₂ sin α
sinα ;
a=R_o;
Q₂=bhV_o.

Следовательно, в предлагаемой схеме гидромагнита коэффициент усиления поля уменьшился в β_КV(1+K₄) раз, а расход среды уменьшился в β_a π /sin α раз.

Например, если электроды медные ( γ₁=6^.10⁷ 1/Ом), а коэффициент b/2R_o=π /4, то расход среды уменьшится в β_a=4 раза, а коэффициент усиления уменьшится всего в
β_v=(1+0,16) раз ≈ (16%).

У гидромагнитов с низкоэлектропроводной средой γ₁ < γ₂ и поэтому практически К₄=0. В гидромагните на жидком электролите (фиг.3) среда и материал контактных электродов подобраны так, чтобы в рабочей зоне канала образовались соединенные согласно два электрохимических источника тока, закороченных металлическими перемычками (шинами) и развивающих ЭДС U_эх каждый. Полагая, что напряжение U_к скомпенсировано электрохимическими силами, формулу гидрохимического магнита запишем в виде
K₂= .

Откуда К_v=Re_m/(1+K₄)
K_эх= · .

Лучшие электролиты имеют электропроводность порядка 10² 1/Ом. При V=1 м/с; b=1 м магнитное число Рейнольдса ≈10^-4. В рассматриваемом варианте γ₂ > γ₁ поэтому даже при очень малых α=arcsin(b/2R_o) можно считать К₄=0. Если, например, U_эх= 1 В; V_o=1 м/с; В_о=0,1 т; b=0,1 м, то К_эх ≈ 10^-2, а отношение К_эх/К_v= 100. Другими словами, коэффициент усиления магнитного поля определяется в основном эффективностью электрохимического преобразования энергии в рабочих зонах канала гидромагнита.

Принимая U_эх=1 В, представим электрохимический коэффициент усиления магнитного поля формулой
К_эх= μ_o γ₁/2B_o.

Уменьшение расхода электропроводной среды при практически неизменной величине коэффициента усиления магнитного поля предлагаемого гидромагнита позволяет получить значительный экономический эффект.

Дополнительное увеличение коэффициента усиления магнитного поля возможно при условии использования энергии электрохимических источников тока, образованных парами противоположных контактных металлических электродов, имеющих различный знак электрохимического потенциала относительно электропроводной среды, что повышает экономический эффект и упрощает конструкцию гидромагнита.

Высокая эффективность работы предлагаемых схем гидромагнитов может быть получена, например, при использовании их в технологических системах очистки промышленных сточных вод и пр.

Использование: техника получения сильных магнитных полей в больших объемах пространства. Сущность изобретения: кольцевой электропроводящий контур гидромагнита, пронизываемый осевым магнитным полем, выполнен в виде линейного канала, концевые участки боковых стенок которого соединены между собой полукольцевыми электропроводящими шинами, контактирующими с электропроводной средой в канале. Применение шин из хорошо проводящих металлов позволяет резко сократить расход жидкой среды. 1 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. ГИДРОМАГНИТ, содержащий кольцевой электроприводящий контур, включающий камеру с осевым выходным патрубком, заполненную электропроводной средой, источник осевого магнитного поля, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности и надежности, камера выполнена в виде линейного канала с подводящими трубопроводами, при этом источник осевого магнитного поля выполнен в виде расположенного вдоль канала постоянного магнита, причем концевые участки каждой боковой направленной вдоль магнитного поля стенки канала соединены между собой полукольцевыми электропроводящими шинами, концы которых имеют электрический контакт с электропроводной средой в канале. 2. Гидромагнит по п.1, отличающийся тем, что концы полукольцевых электропроводящих шин снабжены электродами из различных металлов, при этом каждая пара противоположных контактирующих с жидкостью электродов образует совместно с жидкостью последовательно соединенные электрохимические элементы.