RU2028710C1

RU2028710C1 - Electrode of mhd generator

Info

Publication number: RU2028710C1
Authority: RU
Inventors: Яков Петрович Гохштейн
Original assignee: Яков Петрович Гохштейн
Priority date: 1991-05-31
Filing date: 1991-05-31
Publication date: 1995-02-09

Abstract

FIELD: radio engineering. SUBSTANCE: electrode includes capacitance in the form of cylinder 14 with walls manufactured from fibrous ceramic material filled with metal melt and electric contact in the form of dismountable joints 25, 26. Side walls of capacitance are produced from ceramic belt 11 applied with overlapping. Ceramic spring 17 wound over outer surface of winding. Electric contact is inserted into hole of lower butt ceramic bushing. EFFECT: increased reliability of electrode. 3 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для магнитогидродинамического преобразования тепловой энергии в установках закрытого и открытого циклов. The invention relates to energy and can be used for magnetohydrodynamic conversion of thermal energy in installations of closed and open cycles.

Известен электрод МГД-генератора с твердым платиновым токовыводом, отделенным от потока плазмы керамическим покрытием [1]. Known electrode MHD generator with a solid platinum current output separated from the plasma stream by a ceramic coating [1].

Известен также электрод МГД-генератора, включающий расположенную на огневой поверхности полости канала керамическую емкость с металлическим расплавом и электрический контакт, причем в качестве расплава использована жидкая пластина [2]. An MHD generator electrode is also known, including a ceramic container with a metal melt and an electrical contact located on the firing surface of the channel cavity, and a liquid plate is used as the melt [2].

Сочетание термостойкости с электропроводностью достигнуто в известных электродах применением дефицитных материалов. Жидкая платина, обращенная в поток плазмы, подвержена образованию дуг, сокращающих срок службы электрода. The combination of heat resistance with electrical conductivity is achieved in known electrodes using scarce materials. Liquid platinum facing the plasma stream is prone to arcing, shortening the life of the electrode.

Предлагаемый электрод МГД-генератора, включающий расположенную на огневой поверхности полости канала керамическую емкость с металлическим расплавом и электрический контакт, отличается от известного тем, что боковые стенки керамической емкости выполнены из волокнистого керамического материала в виде вертикально ориентированной цилиндрической обмотки, отделяющей металлический расплав от потока плазмы. The proposed MHD generator electrode, comprising a ceramic container with a metal melt and an electrical contact located on the firing surface of the channel cavity, differs from the known one in that the side walls of the ceramic container are made of fibrous ceramic material in the form of a vertically oriented cylindrical winding that separates the metal melt from the plasma stream .

Обмотка выполнена из керамической ленты с перекрытием слоев ленты, причем по боковой поверхности обмотки навита керамическая пружина, а на торцах обмотки установлены керамические втулки. Электрический контакт выполнен в виде разъемного шарнира, включающего охлаждаемый металлический стержень и керамическую втулку из электропроводного материала, вставленную в отверстие нижней торцевой керамической втулки. The winding is made of ceramic tape with overlapping layers of tape, and a ceramic spring is wound along the side surface of the winding, and ceramic bushings are installed on the ends of the winding. The electrical contact is made in the form of a detachable hinge, including a cooled metal rod and a ceramic sleeve of electrically conductive material inserted into the hole of the lower end ceramic sleeve.

При таком выполнении электрода МГД-генератора металлический расплав служит токовыводом и заключен в волокнистую керамическую оболочку, защищающую его от непосредственного механического и химического воздействия потока плазмы и обладающую повышенной - по сравнению с монолитной керамикой - термостойкостью. Это и возможность проточного обновления металлического расплава в полости оболочки позволяют использовать доступные материалы, в частности, жидкий чугун, и увеличить ресурс электрод. With this embodiment of the electrode of the MHD generator, the metal melt serves as a current output and is enclosed in a fibrous ceramic sheath that protects it from the direct mechanical and chemical effects of the plasma flow and has an increased - compared to monolithic ceramic - heat resistance. This and the possibility of flow-through renewal of the metal melt in the cavity of the shell allow the use of available materials, in particular liquid cast iron, and increase the life of the electrode.

Благодаря ячеистой структуре волокнистая оболочка секционирует приэлектродный слой плазмы и защищает этим металлический расплав от дуг. Краевой угол смачивания керамических волокон металлическим расплавом уменьшается при переходе от инертной к окислительной среде в канале МГД-генератора. Пропитка стенки волокнистой керамической оболочки металлическим расплавом создает композиционный электропроводный материал, который при достаточной плотности расположения волокон в обмотке противостоит утечке металлического расплава, ограничивая его сколь угодно малой величиной. Изменение состава металлического расплава при прохождении тока через электрод, в частности, обезуглероживание чугуна с превращением его в сталь в МГД-аноде, позволяет использовать электрод МГД-генератора в качестве реактора для переработки металла. Due to the cellular structure, the fibrous membrane sections the near-electrode plasma layer and thereby protects the metal melt from arcs. The contact angle of contact between the ceramic fibers and the metal melt decreases upon the transition from an inert to an oxidizing medium in the channel of the MHD generator. The impregnation of the wall of the fibrous ceramic shell with a metal melt creates a composite electrically conductive material, which, with a sufficient density of fibers in the winding, resists leakage of the metal melt, limiting it to an arbitrarily small value. A change in the composition of the metal melt during the passage of current through the electrode, in particular, decarburization of cast iron with its transformation into steel in the MHD anode, makes it possible to use the electrode of the MHD generator as a reactor for metal processing.

На фиг. 1 изображен электрод МГД-генератора, общий вид в разрезе; на фиг. 2 - вид по стрелке А на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 2; на фиг. 4 - разрез В-В на фиг. 1; на фиг. 5 - разрез Г-Г на фиг. 1; на фиг. 6 - схема границы металлического расплава с керамическими волокнами оболочки. In FIG. 1 shows an electrode of an MHD generator, a general sectional view; in FIG. 2 is a view along arrow A in FIG. 1; in FIG. 3 - section BB in FIG. 2; in FIG. 4 is a section BB of FIG. 1; in FIG. 5 is a section GG in FIG. 1; in FIG. 6 is a diagram of the boundary of a metal melt with ceramic fibers of the shell.

Электрод МГД-генератора включает расположенную на огневой поверхности 1 полоски 2 канала 3 керамическую емкость 4 с металлическим расплавом 5 и электрический контакт 6, соединяющий расплав с внешней электрической цепью. The electrode of the MHD generator includes a ceramic container 4 located on the firing surface 1 of the strip 2 of the channel 3 with a metal melt 5 and an electrical contact 6 connecting the melt with an external electrical circuit.

Полость 7 емкости отделена от полости канала стенкой 8 из волокнистого керамического материала 9. Стенка выполнена в виде ориентированной вертикальной цилиндрической обмотки 10 из волокнистой керамической ленты 11 с перекрытием слоев 12, 13 ленты. На боковую поверхность 14 обмотки навита керамическая пружина 15 с зазорами 16 между витками 17, 18, а на торцах 19, 20 обмотки установлены керамические втулки 21, 22. В полости емкости выполнена продольная перегородка 23, ориентированная параллельно огневой поверхности. Перегородка изготовлена из волокнистого керамического материала и припечена к стенке 8 емкости. The cavity 7 of the container is separated from the channel cavity by a wall 8 of fibrous ceramic material 9. The wall is made in the form of an oriented vertical cylindrical winding 10 of fibrous ceramic tape 11 with overlapping layers 12, 13 of the tape. A ceramic spring 15 is wound on the side surface 14 of the winding with gaps 16 between the turns 17, 18, and on the ends 19, 20 of the winding ceramic sleeves 21, 22 are installed. A longitudinal partition 23 oriented parallel to the firing surface is made in the cavity of the vessel. The partition is made of fibrous ceramic material and baked to the wall 8 of the tank.

Электрический контакт выполнен в виде разъемного шарнира 24, составленного из охлаждаемого медного стержня 25 и керамической электропроводной пробки 26, вставленной в отверстие 27 нижней торцевой керамической втулки 22. Стержень и пробка соприкасаются по сферической поверхности 28. В качестве материала пробки использован карбид кремния. Находящийся в отверстии втулки торец 29 пробки покрыт слоем 30 отвержденного металлического расплава. The electrical contact is made in the form of a detachable hinge 24, composed of a cooled copper rod 25 and a ceramic conductive plug 26 inserted into the hole 27 of the lower end ceramic sleeve 22. The rod and the plug are in contact along the spherical surface 28. Silicon carbide is used as the material of the plug. The end face 29 of the plug located in the bore of the sleeve is coated with a layer 30 of cured metal melt.

Емкость 4 заключена в оправу 31 из легковесного пористого керамического материала, например, пенокорунда. Оправа имеет окно 32, выходящее в полость канала и открывающее потоку плазмы доступ к участку 33 стенки 8. Боковыми поверхностями 34, 35 оправа 31 соприкасается с оправами 36, 37 смежных секций. Отверстие 38 в верхней торцевой втулке 21 сообщается с желобами 39, которые выполнены в оправе и втулке для заливки расплава в емкость и распределения его между электродами смежных секций канала МГД-генератора. Тыльная часть 40 оправы опирается на медный каркас 41, который имеет отверстия 42, 43 для пропускания охлаждающей жидкости и перемежающиеся с ними отверстия 44 для подачи воздуха в опоры оправы и защиты пор от проникания плазмы. Из отверстия 44 воздух поступает в оправу по каналам 45, 46. При этом избыточное давление воздуха создается также в приконтактной полости 47. Каркас изолирован керамическими прокладками 48, 49. The container 4 is enclosed in a frame 31 of a lightweight porous ceramic material, for example, foam corundum. The frame has a window 32 extending into the cavity of the channel and opening up the plasma stream to an access to a portion 33 of the wall 8. On the side surfaces 34, 35, the frame 31 is in contact with the frames 36, 37 of adjacent sections. The hole 38 in the upper end sleeve 21 communicates with the grooves 39, which are made in the frame and the sleeve for pouring the melt into the container and distributing it between the electrodes of adjacent sections of the channel of the MHD generator. The back part 40 of the frame rests on a copper frame 41, which has openings 42, 43 for passing coolant and intermittent openings 44 for supplying air to the supports of the frame and protecting the pores from the penetration of plasma. From the hole 44, air enters the frame through the channels 45, 46. In this case, excess air pressure is also created in the contact cavity 47. The frame is insulated with ceramic gaskets 48, 49.

Емкость с контактом расположены между фланцами 50, 51 верхней изолирующей плиты 52 канала и нижней изолирующей плиты 53. На поверхности 54 металлического расплава может находиться слой 55 шлака, уровень 56 которого ограничен желобами 39. Составляющие ленту волокна 57, 58 разделены зазорами 59, в которых расположен мениск 60 металлического расплава 5 (см. фиг. 6). Форма мениска зависит от состава плазмы. The container with the contact is located between the flanges 50, 51 of the upper channel insulating plate 52 and the lower insulating plate 53. On the surface of the metal melt 54 there may be a slag layer 55, the level 56 of which is limited by the grooves 39. The fiber components 57, 58 are separated by gaps 59, in which the meniscus 60 of the metal melt 5 is located (see Fig. 6). The shape of the meniscus depends on the composition of the plasma.

Торцы 19, 20 цилиндрической обмотки и втулки 21, 22 заделаны в обоймы 60, 62, являющиеся частью оправы 31. Обоймы соединены между собой средней частью 63 оправы, которая не обязательна для работы электрода. В отсутствие средней части 63 поток плазмы омывает обмотку 10 со всех сторон на участке между обоймами. В этих условиях каркас 41 может быть заменен керамической плитой либо заслонен ею. The ends 19, 20 of the cylindrical winding and the bushings 21, 22 are sealed in the clips 60, 62, which are part of the frame 31. The clips are interconnected by the middle part 63 of the frame, which is not required for the operation of the electrode. In the absence of the middle part 63, the plasma stream washes the winding 10 from all sides in the area between the clips. Under these conditions, the frame 41 can be replaced by a ceramic tile or obscured by it.

При работе МГД-генератора электрический ток проходит через плазму, стенку 8, металлический расплав 5, отвержденный слой 30, пробку 26, стержень 25, внешнюю цепь с нагрузкой. На стороне участка 33 стенки 8 металлический расплав нагревается и подымается вверх вдоль перегородки 23. На противоположной стороне обмотки расплав отдает тепло и опускается (см. фиг. 1, движение расплава показано стрелками). Усиливая теплоотвод, циркуляция расплава снижает перепад температуры вдоль стенки 8, выравнивая температуру по сечению обмотки, что наряду с ее волокнистой структурой повышает термостойкость электрода. During the operation of the MHD generator, an electric current passes through the plasma, the wall 8, the metal melt 5, the cured layer 30, the plug 26, the rod 25, an external circuit with a load. On the side of the portion 33 of the wall 8, the metal melt heats up and rises up along the partition 23. On the opposite side of the winding, the melt gives off heat and sinks (see Fig. 1, the movement of the melt is shown by arrows). Strengthening the heat sink, the circulation of the melt reduces the temperature drop along the wall 8, aligning the temperature along the cross section of the winding, which along with its fibrous structure increases the heat resistance of the electrode.

Возможны два варианта электрода - с изолирующими волокнами, например, из оксида алюминия, и с электропроводными волокнами, например, из оксидов циркония и иттрия. Первый может быть применен в установке закрытого цикла, например, с плазмой, содержащей гелий и присадку цезия. В инертной атмосфере краевой угол на границе жидкого железа с керамикой тупой (см. фиг. 6), что удерживает металл в зазорах 59 между волокнами. В этих условиях ток из плазмы идет на мениск 60 металла. Two electrode variants are possible - with insulating fibers, for example, from aluminum oxide, and with conductive fibers, for example, from zirconium and yttrium oxides. The first can be used in a closed loop installation, for example, with plasma containing helium and a cesium additive. In an inert atmosphere, the contact angle at the interface between liquid iron and ceramic is dull (see Fig. 6), which keeps the metal in the gaps 59 between the fibers. Under these conditions, the current from the plasma goes to the meniscus 60 of the metal.

Вариант с электропроводными волокнами может быть использован в установках открытого цикла с плазмой, содержащей кислород или двуокись углерода, которые служат донорами анионов кислорода, переносящих ток через керамику на основе оксида циркония. Удержание металла в обмотке достигается при этом более плотным расположением волокон в ленте и увеличением числа витков ленты по сравнению с первым вариантом. Ток от плазмы к металлическому расплаву идет в данном случае через оксидную керамику волокон. The electrically conductive fiber variant can be used in open-cycle installations with plasma containing oxygen or carbon dioxide, which serve as donors of oxygen anions carrying current through zirconia-based ceramics. The retention of the metal in the winding is achieved with a more dense arrangement of fibers in the tape and an increase in the number of turns of the tape compared to the first option. The current from the plasma to the metal melt flows in this case through the oxide ceramic of the fibers.

В МГД-аноде на границе электропроводной стенки 8 с чугуном анионы кислорода окисляются с образованием окиси углерода, которая удаляется в виде пузырьков, всплывающих на поверхность 54 металлического расплава. Незначительная часть тока (около 10%) расходуется на окисление железа, продукты которого также всплывают с образованием слоя 55 шлака. В МГД-катоде прохождение тока сопровождается раскислением чугуна с поступлением анионов кислорода в керамику волокон. Частично кислород поступает в керамику из пор между волокнами. Присутствие газа в порах электропроводной керамики не препятствует переносу тока через стенку 8. In the MHD anode at the boundary of the electrically conductive wall 8 with cast iron, oxygen anions are oxidized to form carbon monoxide, which is removed in the form of bubbles floating on the surface 54 of the metal melt. A small part of the current (about 10%) is spent on the oxidation of iron, the products of which also float to form a slag layer 55. In the MHD cathode, the passage of current is accompanied by the oxidation of cast iron with the entry of oxygen anions into the fiber ceramics. Partially, oxygen enters the ceramic from the pores between the fibers. The presence of gas in the pores of electrically conductive ceramics does not impede the transfer of current through the wall 8.

Если в условиях открытого цикла использованы волокна из изолирующей керамики, смачивание керамики металлическим расплавом способствует вытеснению газа из пор. Пропитка волокнистого материала металлическим расплавом, возможна в окислительной атмосфере, значительно повышает эффективную удельную электропроводность такого материала. Это, в свою очередь, позволяет увеличить толщину стенки 8 и плотность расположения волокон в ней для того, чтобы снизить утечку расплава через стенку до пренебрежимо малой величины. При фиксированных пористости и эффективной удельной электропроводности волокнистого материала сопротивление вязкого трения течению расплава в порах усиливается при уменьшении диаметра волокон. Удельное сопротивление жидкого чугуна близко по порядку к 100 мкОм ˙см. При пористости 30% эффективное удельное сопротивление волокнистого материала, пропитанного жидким чугуном, близко, соответственно, к 330 мкОм ˙см, что на несколько порядков ниже удельного сопротивления электропроводной керамики. If insulating ceramic fibers are used in an open cycle, the wetting of the ceramic with a metal melt helps displace the gas from the pores. The impregnation of the fibrous material with a metal melt, possible in an oxidizing atmosphere, significantly increases the effective electrical conductivity of such a material. This, in turn, allows to increase the thickness of the wall 8 and the density of the fibers in it in order to reduce the leakage of the melt through the wall to an negligible value. With fixed porosity and effective electrical conductivity of the fibrous material, the viscous friction resistance to the melt flow in the pores increases with decreasing fiber diameter. The resistivity of molten iron is close to 100 µOhm ˙ cm in order. With a porosity of 30%, the effective resistivity of the fibrous material impregnated with molten iron is close, respectively, to 330 μOhm cm, which is several orders of magnitude lower than the resistivity of electrically conductive ceramics.

В отсутствие смачивания предельная высота заполнения емкости 4 металлическим расплавом без утечки может быть оценена по кривизне мениска. Например, для жидкого чугуна с плотностью 7,0 г/см³, поверхностным натяжением 1,7 Н/м, краевым углом на границе с керамикой 110^о и зазоре между смежными волокнами 0,02 мм, предельная высота составляет 85 см. Дальнейшее увеличение высоты возможно за счет уплотнения упаковки волокон и утолщения стенки 8 с целью минимизации утечки, металлического расплава. Кроме того, утечка расплава из емкости может быть сделана контролируемой, например, путем выполнения калиброванного отверстия в емкости на ее тыльной стороне, обращенной к каркасу 41.In the absence of wetting, the maximum filling height of the container 4 with a metal melt without leakage can be estimated from the meniscus curvature. For example, for the liquid iron with a density of 7.0 g / cm ^3, a surface tension of 1.7 N / m, the contact angle at the interface with the ceramic ¹¹⁰ and the gap between adjacent fibers of 0.02 mm, the maximum height is 85 cm. A further increase in heights are possible due to compaction of the packaging of fibers and thickening of the wall 8 in order to minimize leakage, metal melt. In addition, the leakage of the melt from the tank can be made controlled, for example, by making a calibrated hole in the tank on its back, facing the frame 41.

Перед заправкой электрода жидким металлом канал предварительно разогревают. Жидкий чугун, заливаемый через желоб 39, вытесняет более легкий слой 55 шлака. В процессе работы электрод допускает временное отверждение чугуна. Керамическая пружина 15 помогает обмотке 10 выдержать гидростатическое давление металла и сохранить обтекаемую форму. Пружина изготовлена из тех же оксидов, что и лента. Толщина стенки 0 емкости 2-10 мм, наружный диаметр 10-100 мм, длина 50-500 мм. Температура металлического расплава от 1700^оС (для волокон из оксида алюминия) до 2300^оС (для волокон из оксидов циркония и иттрия), что исключает конденсацию присадки на волокнистом материале, так как выше температуры ее кипения (1327^оС для КОН).Before filling the electrode with liquid metal, the channel is preheated. Liquid cast iron poured through a trough 39 displaces the lighter slag layer 55. During operation, the electrode allows the temporary curing of cast iron. Ceramic spring 15 helps the winding 10 withstand the hydrostatic pressure of the metal and maintain a streamlined shape. The spring is made of the same oxides as the tape. The wall thickness 0 of the tank is 2-10 mm, the outer diameter is 10-100 mm, and the length is 50-500 mm. Molten metal temperature between 1700 ^{° C} (for alumina fibers) to 2300 ^{° C} (for fibers of zirconium oxide and yttrium), which eliminates condensation of the additive on the fiber material, as above its boiling temperature (1327 ^{° C} for KOH).

Claims

1. ELECTRODE of the MHD generator, including a ceramic container with a metal melt located on the firing surface of the channel cavity and an electrical contact, characterized in that the side walls of the ceramic container are made of fibrous ceramic material in the form of a vertically oriented cylindrical winding.

2. The electrode according to claim 1, characterized in that the winding is made of ceramic tape with overlapping layers, and a ceramic spring is wound along the side surface of the winding, and ceramic bushings are installed on the ends of the winding.

3. The electrode according to claim 1 and 2, characterized in that the electrical contact is made in the form of a detachable hinge, including a cooled metal rod and a ceramic plug of electrically conductive material, inserted into the hole of the lower end ceramic sleeve.