RU2637816C1 - Капиллярно-пористый электрод для магнитогидродинамических плазменных устройств - Google Patents
Капиллярно-пористый электрод для магнитогидродинамических плазменных устройств Download PDFInfo
- Publication number
- RU2637816C1 RU2637816C1 RU2017108625A RU2017108625A RU2637816C1 RU 2637816 C1 RU2637816 C1 RU 2637816C1 RU 2017108625 A RU2017108625 A RU 2017108625A RU 2017108625 A RU2017108625 A RU 2017108625A RU 2637816 C1 RU2637816 C1 RU 2637816C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- metal
- capillary
- porous
- plasma
- mhd
- Prior art date
Links
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 42
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 42
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims abstract description 8
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims abstract description 8
- 239000000155 melt Substances 0.000 claims abstract description 7
- 239000002657 fibrous material Substances 0.000 claims abstract description 6
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims abstract description 4
- 229910001338 liquidmetal Inorganic materials 0.000 abstract description 26
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 abstract description 3
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 6
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 4
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 4
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 3
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 3
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 229910001018 Cast iron Inorganic materials 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 2
- 238000009736 wetting Methods 0.000 description 2
- 101100491335 Caenorhabditis elegans mat-2 gene Proteins 0.000 description 1
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001340 alkali metals Chemical class 0.000 description 1
- 229910052792 caesium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052729 chemical element Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- -1 for example Substances 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 239000003779 heat-resistant material Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003870 refractory metal Substances 0.000 description 1
- 239000002893 slag Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K44/00—Machines in which the dynamo-electric interaction between a plasma or flow of conductive liquid or of fluid-borne conductive or magnetic particles and a coil system or magnetic field converts energy of mass flow into electrical energy or vice versa
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K44/00—Machines in which the dynamo-electric interaction between a plasma or flow of conductive liquid or of fluid-borne conductive or magnetic particles and a coil system or magnetic field converts energy of mass flow into electrical energy or vice versa
- H02K44/08—Magnetohydrodynamic [MHD] generators
- H02K44/10—Constructional details of electrodes
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
Изобретение относится к энергетике и может использоваться для преобразования энергии в магнитогидродинамических (МГД) плазменных устройствах, к которым относятся МГД генераторы электрической энергии и МГД ускорители плазменных сред. Техническим результатом является создание капиллярно-пористых электродов для магнитогидродинамических плазменных устройств, не подверженных деградации и возобновляемых за счет пополнения жидкого металла из резервного объема, что увеличивает их ресурс. Для этого предложен капиллярно-пористый электрод, состоящий из замкнутого корпуса с расплавом металла, поверхность которого, обращенная к плазме, выполнена из волокнистого материала в виде пористых матов из металлических волокон металла с температурой плавления выше температуры плавления металла расплава, при этом корпус соединен с резервной емкостью с расплавом металла. Капиллярно-пористые маты выполнены из металлического войлока или представляют собой многослойную решетку. Металл расплава, металл пористого мата и эффективные размеры его пор выбирают из условия необходимой подачи расплава к поверхности мата за счет капиллярных сил. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Использование: в магнитогидродинамических (МГД) плазменных устройствах (далее МГД преобразователь), к которым относятся МГД генераторы электрической энергии (далее МГД генератор) и МГД ускорители плазменных сред (далее МГД ускоритель).
Наибольшему разрушению подвержены огневые стенки магнитогидродинамических плазменных устройств, контактирующие с плазмой, состоящие из изолирующей стенки и токосъемных проводящих электродов. Для стационарных и квазистационарных магнитогидродинамических плазменных преобразователей энергии и ускорителей максимальную эрозию испытывают токосъемные электроды.
Мощность на единицу объема МГД преобразователя пропорциональна проводимости газа α. Проводимость газа обеспечивается за счет ионизации присадок, содержащих щелочные металлы, и для хорошей проводимости нужна как можно более высокая температура. Приэлектродный, более холодный слой плазмы имеет меньшую проводимость, и прохождение тока через приэлектродный слой возможно в следующих режимах: диффузионном, микродуговом с множеством микродуг, и - при достаточно больших токах - в режиме контракции тока и большой дуги, вызывающей эрозию электродов. Для преодоления этого недостатка необходимо повысить температуру электродов и приэлектродного пограничного слоя, и тем самым увеличить проводимость этого слоя. Ведутся поиски жаропрочных материалов, но эти работы направлены на поиск материалов для твердых электродов, которые имеют ограниченный, и при больших мощностях, весьма короткий (десятки минут и меньше) срок работы.
В отличие от твердотельных электродов капиллярно-пористые электроды, наполненные жидким металлом, могут быть возобновляемыми за счет пополнения жидкого металла из резервного объема. При этом свойства электрода не деградируют.
Имеются патенты, в которых предлагается увеличить срок работы электродов с помощью специальной конструкции электрода, содержащей керамику на основе оксидов металла (патенты №1790025, 1376898, 1698941), с помощью перемещения дуги по электроду (патент №799683).
Известен также патент №2522702 «Катод плазменного ускорителя», в котором предлагается конструкция катода для плазменного ускорителя, представляющего собой систему полых катодов, образуемых набором вольфрамовых проволок, внутри которых ионизуется рабочий газ. Капиллярные силы не используются.
Известен патент №2051430 «Дивертор термоядерного реактора токамака», в котором предлагается использовать выполненные из металлических волокон капиллярно-пористые маты, каждый из которых непосредственно соединен с емкостью, заполненной жидким литием. Однако патент №2051430 конструктивно отличается от нашего предложения и предназначен для использования в других целях. В патенте №2051430 в качестве жидкого металла заявлен только литий. Применение лития в качестве наполняющего маты жидкого металла невозможно в МГД преобразователях, использующих газ, содержащий кислород, ввиду быстрого окисления (горения) лития. В случае использования газа, содержащего кислород, необходимо использовать металлы, у которых энтальпия окислов мала, такие как медь или чугун, и которые мало окисляются. В нашем предложении в общем случае возможен широкий выбор жидкого металла, подбор жидкого металла осуществляется конкретно для данного МГД преобразователя и должен опираться на такие требования, как: коррозионная стойкость при воздействии потока данного ионизованного газа, смачивание с материалом пористой матрицы, технологические особенности использования этих металлов и безопасность.
Наиболее близкий (прототип) к нашему патент №1804688 предлагает «электрод МГД генератора, включающий выходящий на огневую поверхность керамический сосуд с металлическим расплавом и электрический контакт, соединяющий металлический расплав с внешней электрической цепью, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности преобразования энергии и увеличения ресурса, в сосуд, частично заполненный металлическим расплавом, введен волокнистый керамический материал, обладающий свойством смачиваемости по отношению к жидкому шлаку и металлическому расплаву, причем свободная поверхность волокнистого материала со стороны канала расположена на одном уровне со стенками сосуда». Этот патент, как и указанные выше, предлагает увеличить срок работы электрода, но не предлагает возобновляемый электрод. В частности, в предложении патента 1804688 наибольшую нагрузку несет электрический контакт, соединяющий металлический расплав с внешней электрической цепью. Расплавленный металл служит для равномерного распределения тока по огневой поверхности.
Техническим результатом, на которое направлено изобретение, является создание капиллярно-пористых электродов для магнитогидродинамических плазменных устройств, не подверженных деградации и возобновляемых за счет пополнения жидкого металла из резервного объема, что увеличивает его ресурс.
Для достижения указанного результата предложен капиллярно-пористый электрод для магнитогидродинамических (МГД) плазменных устройств: МГД генераторов электрической энергии и МГД ускорителей плазменных сред, состоящий из корпуса с расплавом металла с размещенным в нем волокнистым материалом, при этом поверхность замкнутого корпуса, обращенная к плазме, выполнена из волокнистого материала в виде пористых матов из металлических волокон металла с температурой плавления выше температуры плавления металла расплава, при этом корпус соединен с резервной емкостью с расплавом металла.
Кроме того:
- капиллярно-пористые маты выполнены из металлического войлока,
- капиллярно-пористые маты представляют собой многослойную решетку,
- металл расплава, металл пористого мата и эффективные размеры его пор выбирают из условия необходимой подачи расплава к поверхности мата за счет капиллярных сил.
На фиг. 1 показана схема капиллярно-пористого электрода: 1 - корпус электрода, 2 –капиллярно-пористый мат, 3 - жидкий металл, 4 - резервный объем жидкого металла, 5 - отвод тока.
На фиг. 2 показаны варианты возможного выполнения капиллярно-пористых матов: а - металлический войлок, б - многослойная решетка, в - многослойная решетка, заполненная жидким металлом.
Конструкция электрода с капиллярно-пористой системой, заполненной жидким металлом, разрабатывается конкретно для данного МГД преобразователя. Но, в общем, принципиальная схема электрода с капиллярно-пористой системой, заполненной жидким металлом, выглядит следующим образом: замкнутый металлический корпус представляет собой коробку 1, одна сторона которой, обращенная к плазме, сделана из пористого мата 2, заполненного жидким металлом и контактирующего с объемом жидкого металла 3, который пополняется из резервного объема с жидким металлом 4.
Принцип работы электрода следующий. Электрод поддерживается при высокой температуре как за счет независимого внешнего нагрева (источник нагрева на фиг. не показан), так и за счет протекающего через него тока, обеспечивающей хорошую ионизацию и проводимость приэлектродного слоя.
Рабочий интервал температур, между температурой плавления расплава металла и температурой его кипения, должен включать температуры, при которых рабочее вещество плазмы ионизовано согласно формуле Саха. За счет капиллярных сил поверхность мата (фиг. 2) покрыта слоем жидкого металла, который и контактирует с плазмой. Капиллярные силы поднимают жидкий металл к поверхности, контактирующей с плазмой, и компенсируют потери жидкого металла за счет испарения или других видов эрозии.
Работоспособность электрода обеспечивается следующими факторами. Капиллярное давление, поднимающее жидкий металл, равно Рс=2αcosθ/r, где α - поверхностное натяжение жидкого металла; θ - краевой угол смачивания жидкого металла и металла капиллярного мата; r - эффективный радиус пор. Отсюда следует, что жидкий металл должен хорошо смачивать металл капиллярного мата, и диаметр проволоки, из которой изготавливаются маты, и расстояние между проволочками в матах должны быть минимальным возможным, на практике не превышать нескольких десятков микрон.
Для долговечности электрода требуется металлургическая совместимость расплавленного металла и металла, из которого выполнен мат электрода.
Расход жидкого металла определяется его испарением. Для МГД ускорителя испарение жидкого металла с электрода увеличивает плотность ускоряемой плазмы, и является положительным фактором, который при соответствующем выборе режима может быть весьма существенным. Для уменьшения расхода жидкого металла необходима его химическая совместимость с химическими элементами плазмы.
На практике это могут быть легкоплавкие металлы, например, Li, Hg, Cs, или металлы с более высокими температурами плавления и кипения, например, чугун или медь. Материалами для изготовления пористых матов могут быть тугоплавкие металлы, например, вольфрам, молибден.
Выбор конкретных размеров и материалов электрода обусловлен реальными условиями эксплуатации.
Таким образом, предлагаемый электрод является возобновляемым, не подвержен деградации, и тем самым увеличивается ресурс его работы.
Claims (4)
1. Капиллярно-пористый электрод для магнитогидродинамических плазменных устройств: МГД генераторов электрической энергии и МГД ускорителей плазменных сред, состоящий из корпуса с расплавом металла с размещенным в нем волокнистым материалом, отличающийся тем, что поверхность замкнутого корпуса, обращенная к плазме, выполнена из волокнистого материала в виде пористых матов из металлических волокон металла с температурой плавления выше температуры плавления металла расплава, при этом корпус соединен с резервной емкостью с расплавом металла.
2. Капиллярно-пористый электрод по п. 1, отличающийся тем, что капиллярно-пористые маты выполнены из металлического войлока.
3. Капиллярно-пористый электрод по п. 1, отличающийся тем, что капиллярно-пористые маты представляют собой многослойную решетку.
4. Капиллярно-пористый электрод по п. 1, отличающийся тем, что металл расплава, металл пористого мата и эффективные размеры его пор выбирают из условия необходимой подачи расплава к поверхности мата за счет капиллярных сил.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017108625A RU2637816C1 (ru) | 2017-03-15 | 2017-03-15 | Капиллярно-пористый электрод для магнитогидродинамических плазменных устройств |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017108625A RU2637816C1 (ru) | 2017-03-15 | 2017-03-15 | Капиллярно-пористый электрод для магнитогидродинамических плазменных устройств |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2637816C1 true RU2637816C1 (ru) | 2017-12-07 |
Family
ID=60581354
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017108625A RU2637816C1 (ru) | 2017-03-15 | 2017-03-15 | Капиллярно-пористый электрод для магнитогидродинамических плазменных устройств |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2637816C1 (ru) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU256116A1 (ru) * | М. Щеголев, Ю. П. Кукота , В. М. Слепцов Институт теплоэнергетики Украинской ССР | Пористый токосъемный электрод для кондукциоиного мгд-генератора | ||
| US4341965A (en) * | 1980-03-31 | 1982-07-27 | Agency Of Industrial Science & Technology | Composite electrode and insulating wall elements for magnetohydrodynamic power generating channels characterized by fibers in a matrix |
| RU2028710C1 (ru) * | 1991-05-31 | 1995-02-09 | Яков Петрович Гохштейн | Электрод мгд-генератора |
-
2017
- 2017-03-15 RU RU2017108625A patent/RU2637816C1/ru active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU256116A1 (ru) * | М. Щеголев, Ю. П. Кукота , В. М. Слепцов Институт теплоэнергетики Украинской ССР | Пористый токосъемный электрод для кондукциоиного мгд-генератора | ||
| US4341965A (en) * | 1980-03-31 | 1982-07-27 | Agency Of Industrial Science & Technology | Composite electrode and insulating wall elements for magnetohydrodynamic power generating channels characterized by fibers in a matrix |
| RU2028710C1 (ru) * | 1991-05-31 | 1995-02-09 | Яков Петрович Гохштейн | Электрод мгд-генератора |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110731027B (zh) | 具有固体金属阴极的熔盐电池 | |
| KR101296431B1 (ko) | 배터리와 배터리 작동 방법 | |
| JP6306510B2 (ja) | 改善された熱管理を有する高温又は燃料電池の電気化学系 | |
| KR101967443B1 (ko) | 음극 및 이를 포함하는 액체 금속 전지 | |
| JP5904854B2 (ja) | 金属空気電池 | |
| JP2019503062A (ja) | 電気的エネルギの蓄積のための装置、該装置の組み立ておよび始動のための方法ならびに該装置の作動方法 | |
| SE503977C2 (sv) | Återuppladdningsbar, elektrokemisk högtemperaturcell, katodanordning för en sådan cell samt förfarande för framställning av utgångsmaterial för katoden | |
| JP2015525450A (ja) | 電極ユニット | |
| RU2637816C1 (ru) | Капиллярно-пористый электрод для магнитогидродинамических плазменных устройств | |
| JP6894509B2 (ja) | 燃料電池のためのバイポーラプレート及び燃料電池 | |
| RU2347291C1 (ru) | Термоэмиссионный электрогенерирующий модуль активной зоны ядерного реактора с прямым преобразованием энергии | |
| CN207368145U (zh) | 一种液态金属电池 | |
| US4087591A (en) | Pyrotechnically activated lithium-chlorine cell having a lithium vapor barrier | |
| KR101275812B1 (ko) | 전기화학전지 | |
| KR101075145B1 (ko) | 나트륨-유황전지 모듈 | |
| IL23775A (en) | Electrodes for generators operating by electro-magnetic interaction with fluid | |
| KR102795367B1 (ko) | 알칼리금속 열전변환장치 | |
| KR101234237B1 (ko) | 전기화학전지 | |
| CN207303270U (zh) | 一种液态金属电池及其壳体 | |
| US3972730A (en) | Pyrotechnically activated lithium-chlorine cell | |
| JP6973759B1 (ja) | チューブタイプｓｏｆｃ | |
| JP2018163815A (ja) | 電池 | |
| JP2001243975A (ja) | ナトリウム硫黄電池、その使用方法及びそれを用いたモジュ−ル | |
| KR101159811B1 (ko) | 나트륨-유황전지의 유황전극 | |
| JP2010198788A (ja) | 液体ナトリウム電池 |