VIABILIDADE DO USO DE BOMBAS ELETROMAGNÉTICAS DE CORRENTE CONTÍNUA
NO CONTROLE DE VAZÃO DE METAIS LÍQUIDOS
Eduardo M. Borges, Francisco A. Braz Filho e Lamartine N. F. Guimarães
Instituto de Estudos Avançados - São José dos Campos - SP
Resumo
Bombas eletromagnéticas utilizam o princípio de Faraday, no qual a interação de corrente elétrica e campo magnético gera a força magnetomotriz que controla o escoamento de metais líquidos.
Neste trabalho apresenta-se a comparação de resultados teóricos e dados experimentais de ensaios das duas bombas eletromagnéticas de corrente, com magneto tipo C e com imãs permanentes de
Samário-Cobalto, desenvolvidas no Instituto de Estudos Avançados - IEAv, operando em circuitos a Mercúrio, validando o esquema de análise do programa computacional BEMC-1, e usa-se o
BEMC-1 para avaliar a possibilidade da utilização de bombas eletromagnéticas para o controle de vazão dos metais líquidos de interesse em reatores rápidos para aplicação em terra e espacial.
20
INTRODUÇÃO
16
circ 3.8 m
teórica
16
3 blocos
4 blocos
8
I= 400 A
4
0
I= 200 A
0
0
200
400
corrente principal ( A )
600
800
1
2
3
4
6
CURVAS DE DESEMPENHO
Os desempenhos teóricos das bombas EM tipo C e de imãs apresentados nas Figuras 3 e 4,
foram obtidos com o BEMC-1, com base na geometria do canal das bombas, ou seja,
altura do canal (a) de 10 mm, largura do canal (b) de 30 mm e o comprimento útil (c) de
70 mm, levantando-se as curvas dinâmicas das bombas EM (para possíveis conjuntos de
valores de campo magnético e corrente principal) e as curvas de perda de carga do circuito
dinâmico (com diâmetro interno de 12,2 mm e comprimento equivalente de 3,8 m), para os
metais líquidos de interesse. Nota-se que as curvas de operação da bomba EM de imãs de
Samário-Cobalto são paralelas, pois o campo magnético é constante e igual a 0,44 Wb/m2.
5.0E+4
6.0E+4
Mercúrio
circ 3.8 m
Sódio
4.0E+4
Lítio
700
4.0 e-7
462
2.9 e-4
I= 800 A, B= 0.9 Wb
pressão dinâmica (N/m2 )
pressão dinâmica (N/m2 )
I= 800 A, B= 0.9 Wb
3.0E+4
2.0E+4
I= 600 A, B= 0.75 Wb
1.0E+4
I= 400 A, B= 0.63 Wb
4.0E+4
I= 600 A, B= 0.75 Wb
2.0E+4
I= 400 A, B= 0.63 Wb
circ 3.8 m
I= 200 A, B= 0.46 Wb
I= 200 A, B= 0.46 Wb
0.0E+0
0.0E+0
0
4
8
12
16
vazão (l/min)
20
0
4
8
12
vazão (l/min)
16
20
Figura 3. Curvas da bomba EM - tipo C operando com Mercúrio e Sódio
3.0E+4
2.5E+4
COMPARAÇÃO TEÓRICA E EXPERIMENTAL
Mercúrio
Lítio
I= 800 A
2.0E+4
pressão dinâmica (N/m2 )
6
I= 800 A
circ 3.8 m
pressão dinâmica (N/m2 )
As Figuras 1 e 2 apresentam os dados experimentais de pressão estática e de vazão das duas
bombas EM desenvolvida, operando com Mercúrio nos circuitos estático e dinâmico. A
comparação destes dados a resultados teóricos obtidos com o programa BEMC-1 apresentam
boa concordância, validando o esquema de simulação.
2.0E+4
5
Vazão (l/min)
Figura 2. Curvas de pressão estática e de vazão da bomba EM de imãs operando com Mercúrio
Tabela 1. Propriedades dos metais líquidos simulados pelo BEMC-1
Sódio
500
2.0 e-7
830
2.4 e-4
8
I= 500 A
4
Este trabalho utiliza o programa computacional BEMC-1 (desenvolvido para projetar e avaliar o
desempenho de bombas eletromagnéticas de corrente contínua), compara resultados teóricos e
dados experimentais da bomba EM, operando com Mercúrio, e avalia a possibilidade da aplicação
de bombas eletromagnéticas no controle do escoamento de metais líquidos de interesse em reatores
rápidos. A Tabela 1 apresenta as propriedades dos metais líquidos de interesse para reatores
rápidos, simulados nesta avaliação.
Mercúrio
20
9.3 e-7
13400
1.5 e-3
12
I= 300 A
No mundo há vários reatores rápidos em desenvolvimento na França, Japão e Índia, que utilizam
o Sódio líquido como fluido de trabalho, com controle de escoamento por bombas centrífugas. No
reator rápido experimental norte americano EBR-II o escoamento de Sódio líquido do circuito
secundário é controlado por bombas eletromagnéticas de corrente contínua. Há outros projetos
norte americanos de reatores refrigerados a Sódio, como o IFR e o PRISM, que utilizam conceitos
avançados de segurança inerente e passiva. No PRISM prevê-se a utilização de bombas
eletromagnéticas de corrente alternada no circuito primário de refrigeração. No reator rápido
espacial norte americano SP-100 o escoamento de Lítio líquido nos circuitos de refrigeração é
controlado por bombas eletromagnéticas termoelétricas (EMTE).
Propriedade \ metal
Temperatura (oC)
Resistividade elétrica (ohm.m)
Massa específica (Kg/m3)
Viscosidade dinâmica (N.s/m2)
I= 600 A
Pressão (cm Hg)
pressão (cm Hg)
O desenvolvimento de bombas eletromagnéticas (EM) iniciou-se no Instituto de Estudos
Avançados – IEAv em 1988, no âmbito do Projeto de Reatores Espaciais – RESPA, com a
implantação de um laboratório para manuseio de Mercúrio (o único metal líquido a temperatura
ambiente), selecionado como fluido de trabalho a ser utilizado nas experiências. Projetou-se,
montou-se e ensaiaram-se duas bombas eletromagnéticas de corrente contínua, uma com magneto
tipo C e outra com imãs permanentes de Samário-Cobalto (para a geração de campo magnético),
ambas tiveram desempenho satisfatório no controle do escoamento de Mercúrio líquido, nos
circuitos experimentais desenvolvidos.
Bombas eletromagnéticas utilizam o princípio de Faraday, no qual a interação de corrente elétrica
e campo magnético geram a força magnetomotriz, que controla o escoamento do fluido. As
bombas eletromagnéticas não têm partes móveis, são completamente seladas, apresentam alta
confiabilidade e permitem a utilização de fluido radioativo à alta temperatura. Estas características
as tornam interessantes para utilização no controle de vazão de metais líquido dos circuitos de
refrigeração de reatores nucleares rápidos.
12
5 blocos
I= 600 A
1.5E+4
1.0E+4
I= 400 A
2.0E+4
I= 600 A
I= 400 A
1.0E+4
600 A
experimental
experimental
5.0E+3
I= 200 A
I= 200 A
circ 3.8 m
400 A
vazão (l/ min)
pressão estática (N/m2 )
600 A
5
1.6E+4
400 A
1.2E+4
8.0E+3
3
1
1
2
3
corrente de campo (A)
4
5
8
12
vazão (l/min)
16
20
0
4
8
12
vazão (l/min)
16
20
CONCLUSÃO
2
0.0E+0
0.0E+0
4
Figura 4. Curvas da bomba EM de imã operando com Mercúrio e Lítio
200 A
200 A
4.0E+3
0.0E+0
0
4
2
4
6
corrente de campo (A)
8
10
Figura 1. Curvas de pressão estática e de vazão da bomba EM tipo C operando com Mercúrio
Para a avaliação de desempenho das bombas EM operando com os metais líquidos de
interesse pode-se obter os pontos de operação do sistema bomba-circuito, definidos pela
interseção das curvas dinâmicas e de perda de carga de cada fluido. Os resultados teóricos,
obtidos com o BEMC-1, mostraram a viabilidade da utilização de bombas eletromagnéticas
para o controle de escoamento de metais líquidos, considerados de interesse para remoção de
calor, em reatores nucleares rápidos para aplicação em terra e espacial.
