DE1613582A1

DE1613582A1 - Zusammengesetzte Elektrode fuer magnetohydrodynamische Umwandlungsduesen

Info

Publication number: DE1613582A1
Application number: DE19671613582
Authority: DE
Inventors: David Yerouchalmi
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1966-03-22
Filing date: 1967-03-22
Publication date: 1970-08-06
Also published as: FR1489050A; GB1158526A; ES338304A1; LU53231A1; US3432715A; CH471491A; BE694591A; NL6703362A

Description

PAT . ~ -^.

S MÖNCHEN 2, OTTOSTRASSE 1a TELEFON C0810 59 36 82

B. 1892.3 München» 22. Harz 1967

Dr.M./Eh

G-1-P-160/476

Commissariat a 1 Energie Atomique in Paris / Frankreich

Zusammengesetzte Elektrode für magnetohydrodynamische Um-

iiranäliings öüs on

Dia Erfindung betrifft eins zusamasngssetate Elektrode für magnetohydrodynamische ümwandlimgsdüaen. Bestimmte Generatoren, die den magnetohydrodynamischen Effekt (abgekürzt MHD) ausnützen und im offenen Kreislauf arbeiten, besitzen eine Düse mit rechteckigem Querschnitt_{ wo die duröh Überoxydation oder Zusatz VOH hocherhitzter Hilfsluft auf 2?00 Ma 3000° K gebrachten Vg^br^nmiagsgase ätirch 2usats eines Alkalimetalle ("Saat") ionisiert werden und so eino ©lektrisöhe Lsitfihigkeit in der Größenordnung von 10 bis 40 mho.m, erreichen. Da sie mit Geschwindigkeiten von stwa 700 bis 800 a/s in einem starken Mag= netfeld von über 2 Teala strömen, das senkrecht zu zwei gegenüberliegenden Wänden der Düse verläuft, die elektrisch isolierend sein müssen, entsteht in diesen mit dem Saat-Zusatz versehenen (rasen entsprechend dem Laplace'sehen Gesetz ein zu ihrer Verschie·= bungsrichtung sowie zur Richtung des Magnetfeldes im wesentlichen

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senkrechter elektrischer Strom. Dieser Strom kann unter der Bedingung in einem äußeren Lastkreis abegnommen werden, daasdie Übrigen beiden gegenüberliegenden Wände der Düse elektrieoh leitend sind und der elektrische Kontakt zwischen den heißen, mit Saat-Zusatz versehenen Gasen und der Stirnfläche der Elektrode ohne merklichen Spannungsabfall erfolgt»

Sin derartiger elektrischer Kontakt kann nur stattfinden, wenn die Oasgrenzsohicht zwischen der leitenden Wand, die MHD-Elefctrode genannt wird, und den Gasen eine hohe Temperatur besitzt, d.h. die Elektrode selbst eine sehr heiße Oberfläche aufweist. Damit eine Elektroden-atirnfläohe eine hohe Temperatur besitzt, muß man u.a. dafür sorgen» daß bei einem bestimmten Betriebszustand der MHD~Anlage der Wärmefluß durch diese Elektrodenwand mittels einer geeigneten Wärmeisolation verhindert wird. Diese Isolation kann auch so gewählt sein, daß sie die Temperatur der Elektrodenstirnfläche unabhängig vom Wärmezustand der Düse bestimmt.

Es zeigt sich, daß man bei Temperaturen der Elektrodenstimflachen von etwa 1900 bis 2000° K arbeiten muß, und zwar zunächst ,damit man bestimmte Materialien mit einem genügenden Sicherheitsspielraum bezüglich ihrer Hitse- und Korrosionsbeständigkeit verwenden kann, sowie ferner, damit die vier Wände der MHD-Düee bei der gleichen Temperatur arbeiten, eo daß Störungen im Kreislauf der mit einem Saat-Zusatz versetzten Gase verhindert werden. Es sei bemerkt, daß die Temperatur der heißen Flächen der elektrisch isolie renden Wände unbedingt zwischen 1900 und 2000° X liegen muß. Darüber gibt es keine unter den MHKBetriebsbedingungen genügend ieo-

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lierend er; Materialien (elektrische leitfähigkeit der Isolatoren unter 5 mho.m.)» und die Wandkurzschlüsse werden außerordentlich störend« Darunter kommt man in die Nähe des Taupunkts oder Verflüssigungepunkte der Alkallmetalle und läuft Gefahr, daß die gleichen Kurzschlüsse durch Abscheidung des Saat~Zusatsee an ungenügend heißen Wänden auftreten.

Um die Stirnwände der Kerantikmaterialien bei 1900 bis 2000° K eu halten, wenn die Oase durch die MHD-Büse mit 2700 bis 3000° K und Geschwindigkeiten von etwa 700 bis 800 m/s strömen« muß mau offensichtlich unbedingt die Rückseite dieser Keramikstoffe (deren Dicke μ selbst von Ihrer Wärmeleitfähigkeit und dem durch sie abzuführenden Wärmeflufl abhängt) stu kühlen, im allgemeinen durch einen Kühlwasserstrom mit einer Temperatur von etwa 350° K.

Eine geregelte Kühlung der Rückseite der Keramikmaterialien erhält man durch deren Befestigung durch mechanisches Einspannen, Keramik-Metall-Lötung oder beides an einem gekühlten Kupfer gehäuse.

Wenn man beispielsweise als Keramikmaterial ein elektrisch leitendes Zirooniumoxid verwendet, zeigt die Berechnung, dafi bei eine« WärmefluB von 60 bis 70 Watt/cm² (VersuohsdUse) die Dicke des Keramikmaterials etwa 10 mm beträgt. Man kann die Keraalkwände aus gesinterten durchgehenden StUoken dieser Dicke herstellen (in einem Stück). Die Dicke verringert sich jedoch auf 1 bis 1,5 am, wenn der Wärmeflu3 400 bie 500 Watt/cm² beträgt (technische SDÜse für $00 MW thermisch}. In diesem Fall kann man selbstverständlich keine dichten Keramikstüoke mit 1 bis 1,5 mm Dicke mehr herstellen,

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die eine genügende mechanische Festigkeit für mehrere hundert Betriebsatunden besitzen. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine zusammengesetzte Elektrode zu schaffen, die den praktischen Anforderungen besser als die bisher bekannten Elektroden entspricht und die oben angegebenen Bedingungen erfüllt und insbesondere gegen Wärmeschocke beständig ist und hohe WärmeflUsse abführen kann, um eine genügend niedrige Stirnfläohentemperatur aufrechtzuerhalten.

Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß eine Elektrode vorgeschla- ^ gen, die einerseits ein Gehäuse aus wärmeleitendem Material, das bei einer tiefen Temperatur gehalten wird und auf seiner einen Seite ein zellenabgrenzendes Fach·» werk und andererseits in diese Zellen elngeoetzte dichte Keramiksteine aufweist, die mit dem Gehäuse durch Metallelemente verbunden sein können, welche die Stromleitung von der Elektrodenstlrnseite zum Metallgehäuse besorgen.

Bei einer bevorzugten Ausführungeform der Erfindung besteht dae

Fach werk aus Trennwänden und rechtwinklig zu diesen angeordneten· durch die Trennwände voneinander getrennten und In Gehäuse verankerten Plättchen mit verbreiterter Stirnseite, um die Keramiksteine festzuhalten.

• Die Erfindung umfaßt ferner weitere Maßnahmen, die vorzugsweise in Verbindung mit den obigen, jedoch auch unabhängig davon angewendet werden können. Die Erfindung wird weiter erläutert durch

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die folgende Beschreibung von nur als Beispiele angeführten AusfUhrungsformen. Sie Beschreibung bezieht sioh auf die beigefügten Zeichnungen; hierin zeigen:

Flg. 1 einen Ausschnitt einer mit einer erfindungsgemäQen Elektrode versehenen MHD-Umwandlungsdüse im Schnitt längs einer zur

Strömungsrichtung senkrechten Ebene; Flg. 2 eine perspektivische Ansicht der in Fig. t gegeigten

Elektrode,wobei diese teilweise auseinandergenommen ist; Fig. 3 einen Ausschnitt eines Aufrisses einer Elektrode im Schnitt

längs ihrer Mittelebene;
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer abgewandelten Ausführungs

form der Elektrode, wobei diese teilweise auseinanderge» nomiaen ist.

Fig. 1 zeigt einen Teil einer MHD~UmwandlungsdÜse im Schnitt quer zur Strömungsrichtung der Gase. Diese Düse b'eeitzt zwei gegenüber» liegende Elektroden, von äenen nur eine Elektrode 10 dargestellt ist» und zwei ebenfalls gegenüberliegende isolierende Wände, von denen nur eine Wand 12 teilweise gezeigt ist. Die Isolierwand ist von der Art, wie sie in der gleichzeitigen Patentanmeldung "Elektrisch isolierende Wand" beschrieben ist. Die in Fig. 2 perspektivisch gezeigte Elektrode 10 besitzt ein Gehäuse 14 aus leitendem Material (z.B. Kupfer), in dem ein Kühlwasser kanal 16 angeordnet ist (Fig. 1). Zwischen der Isolierwänd 12 und dem Gehäuse 14 der Elektrode 10 sind Isolierplatten 18, z.B» aus Keramikmaterial, eingelegt.

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In die Stirnseite des Gehäuses 14 sind zwei Reihen von rechtwinklig zueinander angeordneten Nuten 20 und 22 zur Aufnahme eines Fachwerke eingeschnitten. Die zur Strömungsrichtung der Gase parallelen Nuten 20 besitzen einen sohwalbensohwaiusfBrmigen Querschnitt. Sagegen besitzen die zu den Nuten 20 rechtwinklig verlaufenden Nuten 22 einen rechteckigen Querschnitt. In die Nuten 22 sind die Trennwände 24 mit parallelen Seitenflächen eingesetzt, die sich mit ihren Seitankanten 39 an zwei Längswänden 38 abstützen. Plättchen 28 mit einem der Form der Nuten 20 entsprechenden Fuß sind in die Nuten eingeschoben und in diesen gehalten; sie v/erden durch die Trennwände 24 und zwei am Gehäuse 14 mittels Schrauben 32 befestigte Abachlußplatten 30 voneinander getrennt und unverschiebbar gehalten. Der Über die Nuten vorstehende Teil der Plättchen 26 besitzt einen sich nach außen hin verbreiternden Querschnitt, um mit den Trennwänden blinde Zellen 34 mit rechteckigem Boden, die sich vom Gehäuse 14 her verjüngen, zu bilden.

Zur Herstellung einer guten thermischen Leitung zwischen dem Gehäuse 14 einerseits und den Trennwänden 24 und 28 andererseits

Zinn«
wird zwischen diesen eine /verbindung hergestellt, wie unten erläutert.

Man stellt so ein metallisches Fachwerk her, das durch das im Kanal 16 des Gehäuses strömende Medium gekühlt wird. Jede der Zellen 34 dieses Fachwerks iiimmt einen Keramikstein 36, beispielsweise aus Zirconoxid, auf, der von den sein Abreißen verhindernden Plättchen eingeklemmt wird. Die Keramiksteine bestehen aus

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dichten* also wenig porösem Keramikmaterial« damit der Saat« Zusatz nicht in sie eindringen kann, und werden im allgemeinen duroh Sintern hergestellt. .

Die Höhe H und Breite D der Keramiketeine 36 eowie die Dicke der Metallgitterelemente sind eo berechnet, daß der Wärmeflufl abgeführt werden kann, welcher der in die HHD-Umwandlungsdtise eingeführten Wärmeleistung entspricht, ohne daß sich die Stirnseiten der Keramiketeine auf eine Temperatur über 1900 bis 2000° K erwärmen. Beispielsweise sind Werte von B » 16 mm und H » 12 mm für einen Wärmefluß von 40 bis 50 Watt/cm brauch .bar, wenn das Keramikmaterial Ziroonoxid ist. ™

Es läßt eich ein ausgezeichneter Wärmekontakt zwischen den dichten präzisionsbearbeiteten Keramiksteinen 36 und den mit gleicher Genauigkeit bearbeiteten Metallplättchen 28 herstellen. Bie Wärmeleitung kann noch verbessert werden, indem man die Zwischenräume füllende und bandförmige Schichten aus einem Silberfila aufbringt.

Bie Verwendung von dichten gesinterten Keramikmaterialien wird strukturell dadurch ermöglicht, daS dieBegrenzung wegfällt, j welche die begrenzte Dicke in Richtung des Wärmeflueses im Fall einer gleichbleibenden Dicke des Keramikmaterials Über seine ganze Stirnfläche darstellt .Wenn die seitliche Abmessung D des Keramiketeine (B kann als Seite angesehen werden, wenn der Keramikstein quadratisch ist, oder es kann der Durchmesser sein, wenn es sich um einen Kreis-oder, die Mittellinie, wenn es sich um ein Sechseck handelt, usw.) genügend klein ist, findet eine erhebliohe seit· liehe Abführung der Wärme in den Oberflächensohichten der Stirn-

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Beite statt, ohne daß für die Tiefe H irgendeine Begrenzung gelten würde, so daß diese Tiefe H groß sein kann.

Die Keramiksteine 36 besitzen an ihrer Unterseite eine Nut oder Kerbe 37, in die ein Metallelement 41 von beispielsweise dreieokigem Querschnitt eingreift, dessen Fuß im Metallgehäuse 14 verankert ist, injdem aioh zu diesem Zweck eine Nut 40 befindet. Das Met alle lement 41 besorgt die Stromleitung von der Elektroden-Stirnseite zum Gehäuse. Es besteht aus einem nicht oxydierbaren hochtemperaturbeständigen Metall, wie Platin/Rhodium, wenn das leitende Keramikmaterial Zirconoxid mit Zusatz von seltenen Erden ist, oder aus Stahl oder einer nicht oxydierbaren Legierung, wenn das Keramikmaterial ein Chromit seltener Erden oder ein Gemisch (Ziroonoxid-Chromite seltener Erden) ist.

Der Zusammenbau der Elektrode ist ganz einfach: Auf dem mit der einen Abechlußplatte50 versehenen Gehäuse schiebt man in die entsprechenden Nuten eine erste Seitenwand 38, eine Reihe von Plättchen 28 und von Metallelementen 41 ein und setzt dann die ent- ^ sprechenden Keramiksteine ein. Die Keramiksteine 36 und Plättchen 28 werden dann durch Einsetzen einer ersten Trennwand 24 festgehalten. Eine zweite Reihe wird eingesetzt usw. bis zur Befestigung der zweiten Seitenwand 38 und der zweiten Absohlufiplatte 30. Tor dem Einsetzen der Plättchen bringt man in die Schwalbenschwanz« nuten Lot Zinnkörnchen, die nach dem Zusammenbau der Trennwände und Metallplättchen durch Erwärmen der ganzen Anordnung auf 400° an Ort und Stelle geschmolzen werden. Ebenso wird mit einem Pinsel ein eine Silbersuspension enthaltender Überzug auf die Plättohen aufgebracht. Bas Silber sohmilzt von selbst im Betrieb und verbessert dabei die Kontakte·

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Es aei bemerkt, daß nach langdauerndem Betrieb die aus den Keramiksteinen 36, den Plättchen 28, den Metallelementen 41 und den Trennwänden 24 beerende zusammengesetzte Elektrode leicht auseinandergenommen und die Einzelteile durch neue Stücke ersetzt' werden können, wobei man das gleiche Gehäuse 14 wievierverwenden kann·

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt eines Metallgehäuses, das aus einem Trog 42, in welchem für den Durchgang des vom Stutzen 50 zum Stutzen 52 strömenden Kühlmediums zwei rechteckige Ausnehmungen ausgearbeitet sind, und einem Rahmen 43 besteht, welcher das Gitter und die Keramiksteine 36 trägt. Biese beiden Teile sind beispielsweise durch Löten fest miteinander verbunden.

Bei der in Pig. 4 gezeigten abgewandelten Ausführungsform ist das Quergitter der Elektrode weggelassen» Die Befestigung der Keramiksteine 36 auf dem Metallgehäuse geschieht einfach durch die in den Sutea 20 gleitenden Plättchen 28 and die am Gehäuse 14 mittels Schrauben 32 befestigten Abschlußplatten 30„ Bei dieser Ausführungsform sind die Keramiksteine durch Metallnetze 41 voneinander und von den Teilen des Metallgehäuse getrennt. Die Netz e oder Gitter sorgen gleichzeitig für die Weiterleitung des Stroms von der Elektrodenstirnfläche sum Metallgehäuse und bestehen je nach der Art des Keramilanaterials beispielsweise aus Platin/Rhodium oder rostfreiem Stahl»

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Claims

Patentansprüche -40-

1.) Zusammengesetzte Elektrode, gekennzeichnet durch ein bei tiefer Temperatur gehaltenes Gehäuse (14) aus wärmeleitendem Material, das an einer Seite mit einem Zellen (34) abgrenzenden Fachwerk versehen ist, und durch Keramiksteine (36), die mit dem Gehäuse durch der Stromleitung von der Elektrodenstirnseite zum Gehäuse dienende Metallelemente verbunden sind.

2.) Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Paohwerk aus Trennwänden (24) und durch diese voneinander getrennte W und rechtwinklig zu ihnen angeordnete,¹}Plättchen (28) besteht, welche zur Elektrodenstirnseite hin verbreitert sind, um die Keramiksteine festzuhalten, und im Gehäuse verankert sind.

3.) Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fachwerk aus einem Längsgitter besteht, das von im Gehäuse verankerten und sich zur Elektrodenstirnseite hin verbreiternden Plättchen (28) gebildet wird«

4.) Elektrode nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Plättchen am Gehäuse durch eine Schwalbenschwanzverbindung verankert sind.

5.) Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramiksteine untereinander und vom Gehäuse durch Metallnetze oder -gitter (41) getrennt sind, welche die Stromleitung von der Elektrodenstirnflache sum Gehäuse besorgen.

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6*) Elektrode naoh einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmekontakt zwischen den Xeramiksteinen und den Metallelementen durch Aufbringung einer Silbersuspeneion in einem Lack auf die benachbarten Flächen verbessert wird.

7·) Elektrode naoh einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmekontakt zwischen den Trennwänden und Plftttohen aus Metall und dem gekühlten Gehäuse durch Aufbringen von durch Erhitzen auf 400° C geschmolzenen Lötzinnteilohen verbessert wird.

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