RU2693852C2

RU2693852C2 - Device for levitation of certain amount of material

Info

Publication number: RU2693852C2
Application number: RU2017138500A
Authority: RU
Inventors: Николай Сергеевич Кобелев; Сергей Геннадьевич Емельянов; Ирина Александровна Шабанова; Вячеслав Михайлович Полунин; Анастасия Михайловна Стороженко
Priority date: 2017-11-07
Filing date: 2017-11-07
Publication date: 2019-07-05
Also published as: RU2017138500A3; RU2017138500A

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: device contains coils for holding material in levitation using varying electric current in coils. Device comprises first and second coils, which during use create alternating electromagnetic field. Pipe of non-conducting material is located inside coils so that it is present between coils and some amount of material used and held in levitation between first and second coils as it moves along central axis of coils inside pipe. First coil is located above the second coil, has smaller number of windings and are connected through one current source or each has separate current source. Tube is positioned vertically, with top hole open and bottom hole closed, and is filled with magnetic fluid. First coil with fewer windings is located at inlet, and levitating material held between electromagnetic fields of first and second coils is shifted from open inlet to closed outlet hole of pipe under effect of magnetic fluid pressure forces. Inner surface of pipe from non-conducting material is coated with glass-like film of tantalum oxide obtained by ion-plasma method.

EFFECT: technical result consists in providing maintenance of standardized conditions of heat and mass exchange of levitation process.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к устройству для левитации некоторого количества проводящего материала, содержащему катушку для удерживания материала в левитации с использованием изменяющегося электрического тока в катушке.The invention relates to a device for levitating a certain amount of conductive material, comprising a coil for holding a material in levitation using a varying electric current in the coil.

Известно устройство для левитации некоторого количества проводящего материала (см. патент РФ №2370921 МПК H05B 6/32 опуб. 20.10.2009 бюл. №29), содержащее катушку для удержания материала в левитации с использованием изменяющегося электрического тока в катушке. При этом устройство содержит две катушки, первую и вторую катушку, которые во время использования создают переменное электромагнитное поле, при этом труба из непроводящего материала расположена внутри катушек так, что труба присутствует между катушками и некоторым количеством материала, используемого и удерживаемого в левитации между первой и второй катушкой по мере перемещения вдоль центральной оси катушек внутри трубы из непроводящего материала, причем первая катушка расположена под второй катушкой, имеет меньшее число обмоток и соединены через один источник тока или каждая имеет отдельный источник тока. Недостатком является узкая область использования, обусловленная обязательным наличием электропроводящего материала, подвергаемого левитации. При этом необходима сложная система поддержания температурного режима плавления и испарения проводящего материала при регулировании силы тока, обеспечивающего лишь его нагрев, а в условиях внезапного перегрева, наблюдаемого в практических условиях, отсутствует возможность охлаждения проводящего материала, то есть не осуществляется поддержание устойчивости тепломассообменного процесса. A device is known for levitating a certain amount of conductive material (see RF Patent No. 2370921 IPC H05B 6/32 publ. 10/20/2009 byull No. 29) containing a coil for holding the material in levitation using a varying electric current in the coil. The device contains two coils, the first and the second coil, which during use create an alternating electromagnetic field, while a tube of non-conductive material is located inside the coils so that the tube is present between the coils and some amount of material used and held in levitation between the first and the second coil as it moves along the central axis of the coils inside the tube of non-conductive material, with the first coil located under the second coil, has a smaller number of windings and with are united through one current source or each has a separate current source. The disadvantage is the narrow area of use, due to the mandatory presence of electrically conductive material subjected to levitation. This requires a complex system of maintaining the temperature of melting and evaporation of the conductive material while regulating the current, providing only its heating, and in conditions of sudden overheating observed in practical conditions, there is no possibility of cooling the conductive material, that is, the stability of the heat and mass transfer process is not maintained.

Известно устройство для левитации некоторого количества материала (см. патент РФ № 2522666 МПК Н 05В 6/32, B60L13/04 , опубл. 20.07.2014, бюл. №20), содержащее катушки для удержания материала в левитации с использованием изменяющегося электрического тока в катушках, при этом устройство содержит две катушки, первую и вторую катушку, которые во время использования создают переменное электромагнитное поле, при этом труба из непроводящего материала расположена внутри катушек так, что труба присутствует между катушками и некоторым количеством материала, используемого и удерживаемого в левитации между первой и второй катушкой по мере перемещения вдоль центральной оси катушек внутри трубы из непроводящего материала, причем первая катушка расположена над второй катушкой, имеет меньшее число обмоток и соединены через один источник тока или каждая имеет отдельный источник тока, труба расположена вертикально с открытым верхним отверстием и закрытым нижним отверстием и заполнена магнитной жидкостьюA device is known for levitating a certain amount of material (see RF Patent No. 2522666 IPC H 05B 6/32, B60L13 / 04, publ. 07/20/2014, bull. No. 20), containing coils for holding the material in levitation using varying electric current coils, while the device contains two coils, the first and second coils, which during use create an alternating electromagnetic field, while a pipe of non-conductive material is located inside the coils so that the pipe is present between the coils and some material used levitation between the first and the second coil as it moves along the central axis of the coils inside a pipe of non-conductive material, the first coil located above the second coil, has a smaller number of windings and are connected through one current source or each has a separate current source, the pipe is vertically with an open top opening and a closed bottom opening and filled with magnetic fluid

Недостатком являются дополнительные ограничения по использованию трубы из непроводящего материала, что обусловлено наличием налипания на внутреннюю поверхность, подвергающегося левитации материала. Это приводит не только к ухудшению качества готового продукта, но и к дисбалансу тепломассообменного процесса из-за потери тепловой энергии теплопроводностью от налипающих частиц, подвергающегося левитации материала, через трубу к окружающей среде.The disadvantage is the additional restrictions on the use of pipes made of non-conductive material, due to the presence of sticking on the inner surface of the material undergoing levitation. This not only leads to a deterioration in the quality of the finished product, but also to an imbalance of the heat and mass transfer process due to the loss of thermal energy by thermal conductivity from sticking particles, which undergo material levitation, through the pipe to the environment.

Технической задачей является поддержание нормированных условий тепломассообмена процесса левитации некоторого количества материала путем устранения тепловых потерь по высоте трубы за счет покрытия её внутренней поверхности стеклоподобной пленкой из оксида тантала, полученной ионно-плазменным методом.The technical task is to maintain the normalized conditions of heat and mass transfer of the levitation process of a certain amount of material by eliminating heat losses along the height of the pipe by covering its inner surface with a glass-like film of tantalum oxide obtained by the ion-plasma method.

Технический результат достигается тем, что устройство для левитации некоторого количества материала, содержащее катушки для удерживания материала в левитации с использованием изменяющегося электрического тока в катушках, при этом устройство содержит две катушки, первую и вторую катушку, которые во время использования создают переменное электромагнитное поле, при этом труба из непроводящего материала расположена внутри катушек так, что труба присутствует между катушками и некоторым количеством материала, используемого и удерживаемого в левитации между первой и второй катушкой по мере перемещения вдоль центральной оси катушек внутри трубы из непроводящего материала, причем первая катушка расположена над второй катушкой, имеет меньшее число обмоток и соединены через один источник тока или каждая имеет отдельный источник тока, кроме того труба расположена вертикально с открытым верхним отверстием и закрытым нижним отверстием и заполнена магнитной жидкостью, при том первая катушка с меньшим числом обмоток расположена у входного отверстия, а левитирующий материал, удерживаемый между электромагнитными полями первой и второй катушек, смещается от открытого входного отверстия к закрытому выходному отверстию трубы под воздействием сил давления магнитной жидкости, при этом, внутренняя поверхность трубы из непроводящего материала выполнена с покрытием стеклоподобной пленкой из оксида тантала, полученной ионно-плазменным методом.The technical result is achieved by a device for levitating a certain amount of material containing coils for holding material in levitation using varying electric current in the coils, and the device contains two coils, the first and the second coil, which during use create an alternating electromagnetic field, this tube of non-conductive material is located inside the coils so that the pipe is present between the coils and some of the material used and held in levitation between the first and second coils as they move along the central axis of the coils inside a pipe of non-conductive material, the first coil located above the second coil, has a smaller number of windings and are connected via one current source or each has a separate current source, in addition the pipe is vertically with an open top hole and a closed bottom hole and filled with magnetic fluid, with the first coil with a smaller number of windings located at the inlet, and the levitating material, held between the electromagnetic fields of the first and second coils, is shifted from the open inlet to the closed outlet of the pipe under the influence of the pressure forces of the magnetic fluid, while the inner surface of the pipe of non-conductive material is coated with a glass-like film of tantalum oxide obtained by the ion-plasma method.

На фиг. 1 изображено устройство для левитации некоторого количества материала, на фиг. 2 - разрез трубы из непроводящего материала с внутренней поверхностью, которая покрыта стеклоподобной пленкой из оксида тантала, полученной ионно-плазменным методом.FIG. 1 shows a device for levitating a certain amount of material; FIG. 2 - a section of a pipe made of non-conductive material with an inner surface that is covered with a glass-like film of tantalum oxide obtained by the ion-plasma method.

Устройство для левитации некоторого количества материала содержит вертикально установленную трубу 1 из непроводящего материала, верхнее 2 открытое отверстие и нижнее 3 закрытое отверстие. При этом труба 1 заполнена магнитной жидкостью 4. Первая катушка 5 имеет меньшее число обмоток, чем вторая катушка 6, и находится у верхнего 2 открытого отверстия, а вторая катушка 6 расположена перед нижним отверстием 3. Материал 7, подвергающийся левитации по мере перемещения по центральной оси 8 катушек 5 и 6, занимает последующие положения а), б), и в) от верхнего 2 открытого отверстия до нижнего 3 закрытого отверстия трубы 1. Внутренняя поверхность 9 трубы 1 из непроводящего материала выполнена с покрытием нанобразной стеклоподобной пленкой 10 из оксида тантала, полученной ионно-плазменным методом.A device for levitating a certain amount of material contains a vertically installed pipe 1 of non-conductive material, the top 2 open hole and the bottom 3 closed hole. The pipe 1 is filled with magnetic fluid 4. The first coil 5 has a smaller number of windings than the second coil 6, and is located at the top 2 of the open hole, and the second coil 6 is located in front of the bottom hole 3. The material 7, subjected to levitation as it moves along the central axis 8 of the coils 5 and 6, occupies the subsequent positions a), b), and c) from the top 2 open hole to the bottom 3 closed hole of the pipe 1. The inner surface 9 of the pipe 1 is made of non-conductive material coated with a nano-shaped glass-like film 10 of tantalum oxide, obtained by the ion-plasma method.

Устройство для левитации некоторого количества материала работает следующим образом. Мелкодисперсные частицы магнитной жидкости 4 по мере заполнения трубы 1 из непроводящего материала налипают на внутреннюю поверхность 9. В результате образуются локальные очаги дополнительной передачи теплоты теплопроводностью от магнитной жидкости 4 по толщине трубы 1 в окружающую среду (см., например, Цой В.П. Методы расчета отдельных задач тепломассопереноса / М.: Энергия, 1971.-384 с., ил.) Возрастание тепловых потерь нарушает температурный режим левитации и, как следствие, качество готового продукта. При этом, последующая подача электрического тока на обмотки катушки 5 способствует прижатию магнитной жидкости 4 к внутренней поверхности 9 трубы 1 посредством пондеромоторной силы, и тепловые потери через локальные очаги резко возрастают, что приводит к возникновению дисбаланса тепломассообменного процесса. Device for levitation of a certain amount of material works as follows. Fine particles of magnetic fluid 4 as the tube 1 is filled from non-conductive material adhere to the inner surface 9. As a result, local centers of additional heat transfer by thermal conductivity from magnetic fluid 4 through the thickness of tube 1 to the surrounding medium are formed (see, for example, V.Poi. Methods for calculating individual tasks of heat and mass transfer / M .: Energy, 1971.-384 pp., Il.) The increase in heat losses violates the temperature regime of levitation and, as a consequence, the quality of the finished product. In this case, the subsequent supply of electric current to the windings of the coil 5 contributes to the pressing of the magnetic fluid 4 to the inner surface 9 of the pipe 1 by means of the ponderomotive force, and the heat losses through the local sources increase sharply, which leads to an imbalance of the heat and mass transfer process.

Покрытие внутренней поверхности 9 трубы 1 из непроводящего материала стеклоподобной пленкой 10 из оксида тантала, полученной ионно-плазменным методом, устраняет как налипание мелкодисперсных частиц, так и последующее образование локальных очагов тепловых потерь (см., например, Литвинова В.А., Саврук Е.Н. Наноразмерные пленки оксида тантала, полученные ионно-плазменным методом // Сборник трудов региональной научно-практической конференции «Современные проблемы и достижения аграрной науки в животноводстве, растениеводстве и экономике».-Томск: ТСХИ НГАУ.-Вып.12.-2010.-с.294-301). В результате поддерживается нормированный тепломассобменый процесс осуществления левитации некоторого количества материала с получением заданного качества готового продукта. Материал (проводящий или непроводящий) помещается на поверхность магнитной жидкости 4 у верхнего 2 открытого отверстия вертикально установленной трубы 1 с первой 5 и второй 6 катушками. Вначале работы свободная поверхность магнитной жидкости 4 имеет плоскую горизонтальную форму. При подаче электрического тока на обмотки катушки 5 в ней генерируется электромагнитное поле, поверхность магнитной жидкости 4 сначала принимает вогнутую форму, а затем по мере увеличения тока на катушке 5 пондеромоторные силы, прижимая магнитную жидкость 4 к стенке трубы 1 одновременно втягивают ее в область максимального поля, в результате чего образуется магнитожидкостное кольцо в плоскости симметрии магнитного поля. При дальнейшем увеличении тока на обмотках катушки 5 пондеромоторные (магнитные) силы значительно превосходят силу тяжести, благодаря чему магнитожидкостное кольцо над материалом 7 утолщается. Под слоем магнитной жидкости 4 образуется изолированная газовая полость, перекрывающая сечение трубы 1. Далее толщина слоя магнитной жидкости 4 растет за счет перетекания магнитной жидкости 4 снизу, а воздушная полость с материалом 7 под действием сил левитации проталкивается вниз. При этом магнитная жидкость 4 действует как охлаждающий элемент материала 7. При подаче и увеличении электрического тока на обмотки катушки 6 плоскость симметрии магнитного поля смещается вниз, проталкивая воздушную полость с материалом 7 к нижнему отверстию 3.The coating of the inner surface 9 of the pipe 1 from a nonconducting material with a glass-like film 10 made from tantalum oxide obtained by the ion-plasma method eliminates both sticking of fine particles and the subsequent formation of local sources of heat loss (see, for example, Litvinova V.A., Savruk E .N. Nano-sized films of tantalum oxide, obtained by the ion-plasma method // Collection of works of the regional scientific-practical conference "Modern problems and achievements of agrarian science in animal husbandry, crop production and the economy." MSK: TSKHI NGAU.-Vyp.12.-2010-s.294-301). As a result, the normalized heat and mass transfer is supported by the process of levitating a certain amount of material with obtaining the specified quality of the finished product. The material (conductive or non-conductive) is placed on the surface of the magnetic fluid 4 at the top 2 open holes of a vertically installed pipe 1 with the first 5 and second 6 coils. At the beginning of the work, the free surface of the magnetic fluid 4 has a flat horizontal shape. When electric current is applied to the windings of the coil 5, an electromagnetic field is generated in it, the surface of the magnetic fluid 4 first assumes a concave shape, and then as the current on the coil 5 increases, ponderomotive forces press the magnetic fluid 4 into the wall of the maximum field As a result, a magneto-liquid ring is formed in the plane of symmetry of the magnetic field. With a further increase in the current on the windings of the coil 5, the ponderomotive (magnetic) forces significantly exceed the force of gravity, due to which the magnetic fluid ring above the material 7 thickens. An insulated gas cavity is formed under the layer of magnetic fluid 4, which overlaps the cross-section of pipe 1. Next, the thickness of the layer of magnetic fluid 4 increases due to the flow of magnetic fluid 4 from below, and the air cavity with material 7 is pushed down by the action of levitation forces. While the magnetic fluid 4 acts as a cooling element of the material 7. When applying and increasing the electric current to the windings of the coil 6, the plane of symmetry of the magnetic field shifts downward, pushing the air cavity with material 7 to the lower hole 3.

Оригинальность предлагаемого изобретения заключается в том, что обеспечивается получение заданного качества готового продукта при длительной эксплуатации устройства для левитации некоторого количества материала путем поддержания нормированного тепломассообменного процесса вследствие устранения дополнительных тепловых потерь в окружающую среду, за счет ликвидации локальных очагов теплопередачи по высоте трубы путем покрытия ее внутренней поверхности нанобразной стеклоподобной пленкой из оксида тантала, полученной ионно-плазменным методом. Кроме того, покрытие внутренней поверхности трубы из непроводящего материала позволяет расширить диапазон применения труб для левитации некоторого количества материала.The originality of the invention lies in the fact that a given quality of the finished product is obtained during long-term operation of a device for levitating a certain amount of material by maintaining a normalized heat and mass transfer process due to the elimination of additional heat losses to the environment, by eliminating local heat transfer centers along the pipe height by covering it with internal the surface of a nano-shaped glass-like film of tantalum oxide, obtained by ion-plasma nny method. In addition, the coating of the inner surface of a pipe of non-conductive material allows you to expand the range of application of pipes for levitation of a certain amount of material.

Claims

A device for levitating a certain amount of material containing coils to hold the material in levitation using varying electric current in the coils, and the device contains two coils, the first and second coils, which during use create an alternating electromagnetic field, while the pipe of non-conductive material inside the coils so that the pipe is present between the coils and some of the material used and held in levitation between the first and second coils as it moves along the central axis of the coils inside a pipe of non-conductive material, the first coil is located above the second coil, has a smaller number of windings and is connected via one current source or each has a separate current source, in addition, the pipe is located vertically with the top opening open and closed bottom hole and filled with magnetic fluid, with the first coil with a smaller number of windings located at the inlet, and the levitating material held between the electromagnetic fields The first and second coils are displaced from the open inlet to the closed outlet of the pipe under the influence of magnetic fluid pressure forces, characterized in that the inner surface of the pipe of non-conductive material is coated with a glass-like film of tantalum oxide obtained by the ion-plasma method.