DE2114218A1 - Korrosionsfeste Elektrode fuer MHD-Vorrichtungen - Google Patents

Description

PATENTANWALT

DR. HANS ULRICH MAY 2114215 D θ MÖNCHEN 8, OTTO STRASS E 1a TELEGRAMME! MAYPATENT MÜNCHEN

TELEFON C081O 003682

B. 3557.3 AT MOnchen« 24. Mär χ 1971

· J>r.M,/ma

CP 375/944

Commissariat a 1·Energie Atomique in Paris / Frankreich, und Instytut Badan Jadrowych in Warschau / Polen

Korrosionsfeste Elektrode für MHD-Vorrichtungen.

Die Erfindung betrifft Elektroden von magnetohydrodynamischen ( MHD ) - Vorrichtungen, in denen die keramischen Teile nicht durch die geschmolzene Alkalisaat korrodiert werden» die sich gewöhnlich in den Bereichen ansammelt, velche sich bei einer Temperatur in der Nähe der Schmelztemperatur der Saat befinden.

Als Saat werden Alkalisalze benutzt, die dazu dienen, die Ionisation des durch eine Düse strömenden heißen gasförmigen Mediums (Plasma) zu verstärken und sich in diesem Medium in gasförmigem Zustand befinden. Zn dieser Form wirken sie praktisch nicht korrodierend.

Bei dem Aufbau der im allgemeinen benutzten zusammengesetzten Elektroden, welche Teile aus leitendem Keramikmaterial aufweisen, die seitlich durch metallische Halter gekühlt sind, werden jedoch die verschiedenen Bereiche der Elektrodenoberflächen auf sehr verschiedenßTemperaturen gebracht. Während bestimmte, in Berührung mit: dem gasförmigen Medium stehende Punkte der Elektroden auf sehr hohe Temperaturen erhitzt werden, befinden sich andere Teile, die

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ebenfalls in Berührung mit dem Medium stehen, bei unterhalb der Verdampfungetemperatur der Saat liegenden Temperaturen. Daraus folgtι daß die Saat sich in bestimmten Bereichen der Außenflächen der Keramikteile der Elektroden verflüssigt und von dort in Form einer sehr Korrodierenden Flüssigkeit wandert» was zur allmählichen Zerstörung der Elektroden führt.

Fig. 1 zeigt im Schnitt eine solche Elektrode» um diese Erscheinung klar zu erläutern· Diese Elektrode 2 besteht aus einem leitenden Keramikelement 4, das in einen Metallhalter 6 aus Kupfer eingesetzt ist, der durch einen Wasserkreislauf 8 gekühlt ist. Das Gemisch von gasförmigem Medium und Saat, welches mit der stirnfläche 10 der Elektrode 2 in Berührung kernt, ist auf eine Temperatur über 2000° C erhitzt. Die Mitte der Oberfläche des dem Gasstrom ausgesetzten lCeramikstücks wird auf etwa 1700° C erhitzt. Die Temperatur der äußeren Kanten der Stirnseite des Kupferstücks liegt zwischen 200° und 300° C. Längs der Stirnseite der Elektrode 2 verändert sich die Temperatur sprunghaft an den Stoßstellen zwischen dem Keraraikstück 4 und dem Kupfer stück 6, und die Isothermen 880° und 900° c, welche Temperaturen nahe bei der Verdampfungstemperatur einer Alkalisaat sind, gehen durch die Stoßstellen 12 und 14, welche die Eindringlinien dieser das Keramikmaterial korrodierenden, flüssigen Alkalisaat sind. Beispielsweise liegt die Verdampfungstemperatur im Fall einer aus Kaliumcarbonat K2CO3 liegenden Saat bei 890° C. aus diesem Eindringen folgt, daß das Keramiksttick 4 in einem Volumenbereich korrodiert wird, dessen Querschnitt in der Ebene der Figur eine-Mondsichel 16 ist, und daß der obere Teil 18 des Kerainikstüclss sich von der Elektrode ablöst. Unterhalb der Temperatur von 88O⁰C liegt die Saat in fester Form

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vor und diffundiert nur ganz langsam in den Rest des Keramikaaterials.

Nach dieser ersten Ablösung des oberen Teils 18 bilden sich erneut aufeinanderfolgende Mondsicheln, die tiefer und tiefer in das Keramikstück 4 eindringen, sodaB die Elektrode 2 schließlich vollständig von ihrem Keramikmaterial entleert ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil der bekannten Elektroden zu beheben*

Diese Aufgabe vird erfindungsgemäß durch eine zusammengesetzte Elektrode für MHD - Generatoren gelöst, welche aus nebeneinander angeordneten gleichen Hauptelementen besteht, die jedes Keramikblöcke in einem metallischen Halter aufweisen, und die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Keramikblöcke ein stromabführendes

den,

Keramikelement zwischen zwei wärraeisolieren^Keraraikeleraenten aufweisen.

Weitere Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen·

Vorzugsweise enthält jeder metallische Halter Teile aus rostfreiem Stahl, welche die Seitenteile der Hauptelemente bilden und mit den heißen Gasen in Berührung stehen, und einen hinteren Teil aus Kupfer mit Einrichtungen sum Durchleiten eines Kühlmediums·

Die aus rostfreiem Stahl bestehenden Teile sind weniger gute Wärmeleiter als Kupfer und werden auf Temperaturen oberhalb von 950° ' oder 1000° C erhitzt. Die Wanderung von Alkalisaat in flüssiger

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Form wird dadurch vermieden.

Die elektrisch leitenden Keramikelemente gehören zu zwei Typen: Die einen sind Stromabführer und bestehen vorzugsweise aus Zirconiumdioxyd ZrO₂ oder !»änthanehromit LaCrO₃ , während die anderen Wärmeisolatoren sind und vorzugsweise aus Magnesiumoxyd MgO oder Strontiumzirconat SrZrO^ mit hoher Schmelztemperatur bestehen, die gegen geschmolzene Alkalisalze sehr unempfindlich sind. Da sich die Berührungsstellen zwischen den Keramikelementen der beiden Typen an der heißen Fläche bei einer Temperatur von ^ etwa 1500° C befinden, besteht auch keine Möglichkeit der Wanderung von Alkalisalzen.

Insgesamt zeigt sich, daß die so aufgebauten zusammengesetzten Elektroden gegen die Einwirkung geschmolzener Alkalisalze sehr unempfindlich sind.

Die Erfindung und ihre verschiedenen technischen Vorteile werden erläutert durch die folgende Beschreibung einer nur als Beispiel . angegebenen AusfUhrungsform, die sich auf die beigefügte Fig. 2 bezieht·

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen zusammengesetzten Elektrode 20. Die Stirnfläche derselben reicht bis zur Oberfläche einer Wand der MHD-Düse, die zum Magnetfeld parallel ist. Sie weist mehrer« gleiche Hauptelemente 24_t 26 und 28 auf, wobei das letztere in Längsschnitt gezeigt ist und jedes dieser Elemente aus mehreren Typen bestimmter Einzelelemente besteht» Jedes Hauptelement weist sfcr owabführende Elemente

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oder 32 auf, deren Außenflächen einen Teil der Oberfläche der Düse bilden. Die Rückseiten dieser Abfwhrelemente sind in Berührung mit einem aus Kupfer bestehenden hinteren Teil 34, 36 oder 38, der durch eins beim aufgeschnittenen Element 28 sichtbare Wasserkühlung 41 gekühlt ist. Diese Teile sind mit Gevindestangen 42, 44 und 46 fest verbunden, weiche der Befestigung dienen. Die Strom-Äbfukrelemente 30, 32 aus Keramik sind zwischen den wärmeisolierenden Keramikelementen, den Blöcken 48 und.50 oder 52 und 54_t angeordnet. Die den beiden Typen angehörenden Keramikblöcke stehen vorzugsweise über nicht gezeigte Platinnetze miteinander in Berührung. Die Platinnetze verbessern die Weiterleitung des elektrischen Stroms von der Stirnseite der Elektrode au dem Kupferstück. Die Temperatur dieser Netze muß unter 17OO⁰ C bleiben, um ihr Schmelzen zu verhindern.

Die Gesamtheit der stromabfuhraiden Elemente, der Isolierblöcke sowie der Rückteile aus Kupfer ist zwischen Metallelementen (56« 58-60, 62-64 ...) gehalten, deren mit den heißen Gasen in Berührung kommenden oberflächen aus rostfreiem Stahl bestehen, um die Verbindung Kupfer - rostfreier Stahl leicht herstellen zu können, werden die Teile 56, 58-60,62 und 64 aus einem Kupfer - rostfreier Stahl-Laminat herausgearbeitet. Die Schweißnähte 66, 68, 70, 72 und 74 zwischen den rostfreien Stahl enthaltenden Teilen und solchen aus Kupfer werden daher zwischen Flächen des gleichen Metalls (Kupfer) ausgeführt, und die Berührungen sind sehr innig.

Der Aufbau des metallischen Halters der Elektrodenhauptelemente ist derart, daß die mit den Gasen in Berührung kommenden Teile aus rostfreiem stahl, die gekühlten Teile dagegen aus Kupfer

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bestehen· Infolgedessen hat die Außenfläche der Elektroden eine nicht unterhalb des Bereiches von 950° - 1000° C liegende Temperatur, welche die rostfreien Stähle aushalten und die nicht unterhalb der Verflüssigungstemperatur der Saat liegt.

Die Hauptelemente 24, 26 und 28 der zusammengesetzten Elektrode sind mechanisch mit prismatischen Zwischenstücken 76 mit trapezförmigem Querschnitt aus isolierendem feuerfestem Keramikmaterial zusammengebaut. Zwischen diesen Keramikstücken und den den rostfreien Stahl tragenden Haltern 56, 58, 60, 62 und 64 sind gewellte Bleehe7B aus rostfreiem Stahl angeordnet» und in den Stücken aus rostfreiem Stahl sind Nuten 80 ausgebildet, wodurch Druckluft unter geringem Druck längs der Rinnen dieser gesellten Bleche strömen kann.

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Claims (8)

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1. J Zusammengesetzte Elektrode für HHD - Generatoren, bestehend aus nebeneinander angeordneten gleichen Hauptelementen, die jedes Keramikblöcke in einem'Halter aus Metall aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikblöcke ein zwischen zwei värraeisolier endeii Keramik teilen (48, 50) angeordnetes stromabfukwndes Keramikteil (30) aufweisen.

2.) Elektrode nach Anspruch 1_§ dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Kez^amikteilen (48, 30, 50) Metallgitter oder -netze, insbesondere aus Platin, angeordnet sind»

3.) Elektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Metallhalter Teile aus rostfreiem Stahl, welche die mit den heißen Gasen in Berührung stehenden seitlichen Teile der Hauptelemente bilden, und einen mit Einrichtungen zum Durchleiten eines Kühlmediums versehenen hinteren Teil aus Kupfer aufweist.

4·) Elektrode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die den rostfreien Stahl aufweisenden Teile aus einem Schichtmaterial von rostfreiem stahl und Kupfer herausgearbeitet sind.

5.) Elektrode nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet· daß die Hauptelemente durch Zwischenstücke (76) aus wärmeisolierendem Keramikmaterial in einem Abstand voneinander gehalten sind

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6.) Elektrode nach einem der Ansprüche 1-5» dadurch gekennzeichnet, daß die stromabführenden Keramikteile aus Zircondioxid ZrO₂ bestehen.

7·) Elektrode nach einem der Ansprüche 1-5» dadurch gekennzeichnet» daß die stromabHihrenden Keramikteile aus Lanthanchromit LaCrO* bestehen.

8.) Elektrode nach einem der Ansprüche 1-7» dadurch gekennzeichnet» daß die wärmeisolierenden Keramikelemente aus Magnesiumoxid MgC bestehen.

9·) Elektrode nach einem der Ansprüche 1-7» dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeisolierenden Keramikelemente aus Strontiurazirconat bestehen.

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