КАНАЛ МГД-ГЕНЕРАТОРА Российский патент 1994 года по МПК H02K44/12 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для магнитогидродинамического преобразования тепловой энергии в установках открытого и закрытого циклов.

Известны каналы МГД-генератора с электродами, включающими платину, твердую либо расплавленную без возможности обновления этих электродов в процессе работы генератора [1].

Известен канал МГД-генератора, включающий две токоотводящие стенки из ориентированных поперек канала электродных секций с керамическими элементами и две изолирующие стенки [2]. Ресурс известного канала ограничен термостойкостью твердых электронных проводников, отводящих ток от огневой поверхности непосредственно либо через слой оксидной керамики с ионной проводимостью.

Описываемый канал МГД-генератора отличается от известных тем, что токоотводящая стенка выполнена в виде ряда закрытых с торцов желобов, заполненных металлическим расплавом и расположенных горизонтально с монотонным вдоль канала изменением уровня заполнения расплавом, причем желобов больше расстояния между изолирующими стенками, а на одном из торцов каждого желоба установлен электрический контакт, подключенный к внешней электрической цепи. Огневая поверхность верхней токоотводящей стенки канала образована нижними стенками желобов. На огневую поверхность нижней огневой стенки канала выходят верхние торцы боковых стенок желобов. Между желобами расположен наклонный сток. В качестве металлического расплава использован жидкий чугун. При таком выполнении канала МГД-генератора его токоотводящие стенки имеют вид многоступенчатого колодезного перепада, аналогичного водостоку, но заполненного жидким чугуном. При работе канала перепад уровней обеспечивает электрическую изоляцию между секциями, а при заправке канала - автоматическое распределение по секциям жидкого чугуна. Становится возможным обновление электродов в процессе работы МГД-генератора без остановки и охлаждения канала, что увеличивает ресурс канала. Замена дефицитных высокотемпературных проводников жидким чугуном снижает расходы на сооружение канала и его обслуживание. Конструкция описываемого канала, в частности расположенные между желобами стоки для удаления шлака, позволяет использовать наряду с другими видами топлив также и угольное, что расширяет функциональные возможности канала. Кроме того, в процессе работы МГД-генератора каждый из желобов может быть использован в качестве ванны для электролиза ионного расплава, например шлака, током, индуцируемым в канале. Это позволяет объединить преобразование энергии с металлургическим процессом - катодным выделением металлов или сплавов, анодным извлечением примесей из металла, в частности углерода из чугуна с получением стали.

На фиг. 1 представлен канал МГД-генератора, общий вид фиг. 2 - разрез по А-А на фиг. 1; фиг. 3 - разрез по Б-Б на фиг. 2; фиг. 4, 5, 6, 7 - варианты выполнения канала; фиг. 8 - разрез по В-В на фиг. 7; фиг. 9 - разрез Г-Г на фиг. 7; фиг. 10 - разрез по В-В на фиг. 9; фиг. 11 - вариант выполнения стенки канала.

Канал МГД-генератора включает выходящие на огневую поверхность 1 токоотводящие стенки 2, 3 из электрически изолированных, ориентированных поперек канала секций 4, 5, 6, 7 с керамическими элементами 8, 9. Токоотводящие стенки выполнены в виде рядов 10, 11, составленных из параллельных керамических желобов 12, 13, 14, 15, заполненных жидким чугуном 16, 17. Желоба закрыты с торцов 18, 19 и расположены горизонтально с перепадом уровней 20, 21, 22, 23 их предельного заполнения. Перепад выполнен монотонным вдоль канала, т.е. в последовательности желобов одного ряда уровни только повышаются либо только понижаются. Например, в ряду 11 уровни предельного заполнения желобов понижаются в сторону движения плазмы. Желоба состыкованы боковыми стенками 24, 25, 26, 27, выполняющими роль бортов, и сообщаются через отверстия 28, 29, 30 в верхней части желоба, которые в совокупности образуют коллектор 31, идущий вдоль канала. Желоба 12, 13 образуют верхнюю токоотводящую стенку 2 канала и выходят на огневую поверхность нижней стенкой 32, 33, являющейся дном желоба. Они используются преимущественно в качестве анода по отношению к плазме. Уклон верхней токоотводящей стенки канала противоположен направлению потока плазмы. Желоба 14, 15 образуют нижнюю токоотводящую стенку 3 канала и выходят на огневую поверхность верхними торцами их боковых стенок 26, 27, а также мениском 34, 35 жидкого чугуна. Уклон нижней токоотводящей стенки канала направлен в ту же сторону, что и поток плазмы.

Длина желоба с, измеренная как расстояние между торцами, больше расстояния b между изолирующими стенками 36, 37 канала в сечении, проходящем через желоб (фиг. 2). Желоб с металлическим расплавом подключен к внешней электрической цепи через охлаждаемый контакт 38, 39, расположенный на одном из торцов каждого желоба. Контакт содержит металлический стержень 40 и осажденный на стержне слой 41 отвержденного расплава. Желоб может быть выполнен с продольным сепаратором 42, который отделен зазорами 43, 44 от торцов желоба. За изолирующей стенкой 36 канала расположена обмотка 46 магнита. Нижние стенки 46, 47 желоба могут отличаться от боковых стенок 48, 49 желоба составом керамики.

В другом варианте канала МГД-генератора (фиг, 4) боковые стенки 50, 51, 52, 53 желобов могут быть выполнены из изолирующей керамики, а нижние стенки 54, 55 - из керамики с достаточной электропроводностью, что позволяет обойтись без изолирующих перегородок между желобами. Мениск 56 расплава может быть отделен от потока плазмы пористыми керамическими пробками 57. Токоотводящие стенки 58 и 59 параллельны и имеют уклон за счет наклона канала в целом под углом β, образованным осью 60 канала и линий 61 горизонта. Изоляция между желобами может быть усилена заменой элементов 9 из изолирующей керамики зазорами.

Канал МГД-генератора может быть выполнен сдвоенным (фиг. 5) из двух каналов 62, 63, расположенных по обе стороны от обмотки 64 магнита симметрично относительно плоскости 65. Изолирующие стенки 66, 67 выполнены выгнутыми наружу, что позволяет частично компенсировать неоднородность магнитного поля, создаваемого обмоткой 64. Верхние желоба 68, 69 воспринимают ток дном, нижние желоба 70, 71 открыты для плазмы. Через изолирующие керамические прокладки 72, 73 нижние желоба опираются на металлическую плиту 74. Верхние желоба покрыты металлическим экраном 75 с изолирующими пластинами 76, 77. При расположении токоотводящих стенок с уклоном (фиг. 1) металлический расплав 78, достигающий предельного уровня 79, имеет возможность перетекать в смежный, ниже расположенный желоб через окно 80. Для отвода тока служат охлаждаемые металлические пластины 81, покрытые отвержденным слоем 82 металлического расплава. Концы желобов, используемые для отвода тока, закреплены с помощью брусков 83, 84.

Возможен вариант канала МГД-генератора, в котором обе электродные токоотводящие стенки 85, 86 противоположных полярностей расположены на дне 87 канала (фиг. 6). Стенки собраны из желобов 88, 89, выполненных из изолирующей керамики. Желоба обеих стенок обращены в канал мениском 90 металлического расплава 91. Смежные желоба сообщаются через окна 92 в их бортах 93. Служащие контактами охлаждаемые металлические стержни 94 со слоем 95 отвержденного расплава закрыты съемными керамическими брусками 96. Желоба установлены на металлической плите 97 с изолирующим керамическим покрытием. Под плитой размещена обмотка 98 магнита. Изолирующие стенки канала выполнены в форме сводов - внутреннего 99 и внешнего 100. Внешний свод покрыт металлическим панцырем 101.

Для работы на угольном топливе может быть использован вариант канала МГД-генератора, в котором межсекционный изолятор 102 выполнен с наклонным стоком 103 для отвода шлака, расположенным между желобом (фиг. 7-10). Дно 104 стока имеет уклон 105 к горизонтали 106. В направлении уклона сток доходит до края 107 огневой поверхности 108, заключенной между изолирующими стенками 109, 110 канала (фиг. 7; контуры стенок показаны штрих-пунктирными линиями). Глубина стока превосходит его ширину. Выход 111 стока расположен над шлакосборником 112 в виде наклонного желоба, ориентированного вдоль канала. Желоба 113, 114 смежных электродных секций установлены на основании 115 и заполнены металлическим расплавом 116. Межсекционный изолятор имеет вид профилированной керамической плиты 117, расположенной между желобами 113 и 114. В плите выполнен проточный паз 118, соединяющий окна 119, 120 в боковых стенках 121, 122 смежных желобов. Окна, проточный паз, стержень 123 электрического контакта и прилегающий к нему слой отвержденного металлического расплава вынесены за пределы огневой поверхности 108. Поворот канала до уклона 125 в продольном направлении (фиг. 10) обеспечивает разность уровней 126, 127 металлического расплава в смежных желобах. Боковые cтенки 128 желоба могут быть выполнены в виде металлических ребер 129 с керамическим покрытием 130. Ребра соединены с металлическими трубами 131 для охлаждающей жидкости. Дном желоба служит керамический брус 132, зажатый между боковыми стенками (фиг. 11).

Для работы канала на газовом топливе желоба верхней токоотводящей стенки 2 могут быть изготовлены из стабилизированного диоксида циркония, желоба нижней токоотводящей стенки 3 - из стабилизированного диоксида циркония либо оксида магния, изолирующие элементы 9 - из оксида магния (фиг. 1). Для работы на угольном топливе, а также в инертной атмосфере закрытого цикла желоба могут быть изготовлены из оксида алюминия, сплавов его с оксидами циркония и кремния, нитридов алюминия и кремния (фиг. 6, 7).

При выборе металлического расплава существенны температуры плавления и кипения. Снижение первой упрощает заправку канала путем заливки расплава извне. Повышение второй позволяет повысить температуру огневой поверхности и эффективность преобразования энергии. При этом, чем больше разность между температурами кипения и огневой поверхности, тем меньше унос расплава за счет его испарения. В сочетании с керамикой огнеупорности 1800-2500^оМ могут быть использованы металлы (в скобках температуры плавления и кипения, ^оС): железо 1528, 2735, никель 1452, 2840, титан 1690, 3260, медь 1083, 2350, марганец 1247, 2030, лантан 920, 3370, алюминий 660, 2270. Указанные металлы, кроме алюминия, тяжелее угольного шлака. Применению некоторых металлов в канале МГД-генератора препятствует их возгонка задолго до кипения, как, например, у олова 232, 2687.

Без ущерба для температуры кипения температура плавления металлов может быть снижена образованием их сплавов. Наиболее подходят чугун с содержанием углерода до 5% весовых и минимальной температурой плавления 1100^оС, сплав титана с никелем (эвтектика при 28% весовых никеля, 955^оС), сплав титана с железом (эвтектика при 32% весовых железа, 1085^оС). В процессе работы канала состав расплава может изменяться с повышением температуры плавления, которая остается ниже температуры огневой поверхности. Периодическая дозаправка канала расплавом обеспечивает сохранение состава расплава в необходимых границах.

Стержень 40 охлаждаемого контакта 39 может быть изготовлен их хромоникелевой стали било карбида кремния, который защищен от растворения в жидком чугуне отвержденным слоем 41 металла. Такой же стержень из электропроводной керамики на основе оксида индия работоспособен непосредственно в жидком чугуне до 1500^оС.

Заправку канала производят после его разогрева. Заливают металлический расплав в верхний желоб ряда 10, 11. Через отверстие 28 по коллектору 31 расплав стекает вниз, последовательно заполняя нижележащие желоба ряда. Возможно перетекание расплава из верхнего ряда 10 в нижний ряд 11 (фиг. 1), например, через трубопровод в изолирующей стенке. После заполнения обоих рядов возможен слив избыточного расплава в канал либо за его пределы. Уклон стенок 2, 3, не дает расплаву задержаться в промежутках между желобами. Это обеспечивает электрическую изоляцию желобов друг от друга в стационарном режиме работы канала. Дозаправку канала производят раз в несколько часов. На время дозаправки - порядка минуты - канал отключают от нагрузки ввиду замыкания желобов металлическим расплавом, стекающим по коллектору. Подачу ионизирующейся присадки на это время прекращают.

При работе МГД-генератора электрический ток проходит через контакт 38, металлический расплав 16, нижнюю стенку 32 желоба 12, плазму, мениск 34 металлического расплава в желобе 15, контакт 39, внешнюю цепь с нагрузкой. Желоба 12 и 15 с расплавом образуют соответственно анод и катод МГД-генератора. При использовании угольного топлива шлак попадет в поток плазмы и конденсируется на нижней поверхности верхнего желоба 12 и на поверхности мениска 34 металлического расплава в нижнем желобе 15. В этих условиях часть пути ток проходит через жидкий шлак. Контакты, металлический расплав и плазма имеют в основном электронную проводимость. Незначительный вклад в электропроводность дают также катионы присадки в плазме и катионы углерода в чугуне.

Верхний желоб 12 является МГД-анодом. Через его нижнюю стенку 32, выполненную из диоксида циркония, ток переносят анионы кислорода, мигрирующие в электрическом поле от плазмы к жидкому чугуну. Достигнув границы раздела между керамикой и чугуном, анионы разряжаются, взаимодействуя с углеродом чугуна. Образующаяся окись углерода подымается в виде пузырьков к поверхности расплава и удаляется для дальнейшего окисления до двуокиси углерода, например, путем введения ее в продукты сгорания.

В данном процессе разряда анионов кислорода на границе керамики с чугуном отсутствуют потери железа на его анодное растворение, так как переход образующихся при этом катионов железа в керамику из диоксида циркония исключен - в противоположность границе жидкого чугуна с жидким шлаком, на которой при разряде анионов кислорода, поступающих из шлака, наряду с основным процессом окисления углерода идет побочный процесс анодного растворения железа, лимитированный концентрационной поляризацией и потребляющий незначительную долю общего тока (менее 10%). Теряя углерод, чугун превращается в сталь.

Нижний желоб 15 является МГД-катодом. При работе на угольном топливе мениск 34 жидкого чугуна покрыт слоем шлака, содержащим оксиды кремния, алюминия, железа, кальция, магния, калия, натрия (например, для кузбасского угля, соответственно, по весу, %: 59, 22, 9, 4, 2, 1) Ток в шлаке переносят в основном катионы натрия, калия, кальция, железа. При содержании оксидов железа ниже 20% ионная проводимость преобладает над электронно-дырочной, обусловленной обменом электронами между ионами двух- и трехвалентного железа. Атомы кремния и алюминия образуют в шлаке малоподвижные комплексы с атомами кислорода. При 2000^оС электропроводность шлаков лежит в пределах 0,01-10 ом^-1см^-1. На поверхности мениска 34 жидкого чугуна катионы из шлака восстанавливаются до металла, растворяющегося в жидком чугуне с образованием ферросплава. В этих условиях желоб 15 служит ванной для электролиза ионного расплава - шлака с расплавленным чугуном в качестве катода и плазмой в качестве анода. На границе шлака с плазмой происходит разряд анионов кислорода из шлака с образованием газообразных кислорода и оксидов углерода, уносимых потоком плазмы.

При работе канала МГД-генератора на бесшлаковом топливе подобным образом в желобе может быть осуществлен электролиз других ионных расплавов, заливаемых в желоба поверх соответствующего жидкого металла. Вариант с нижним расположением токоотводящих стенок обеих полярностей (фиг. 6) позволяет использовать плазму и в качестве анода, и в качестве катода - соответственно в желобах МГД-катода и МГД-анода.

Образованию дуг на металлическом расплаве в канале МГД-генератора препятствует ряд факторов. Выдвинутые в плазму боковые стенки желоба секционируют приэлектродную область плазмы над жидким металлом, лишая дугу притока электричества со стороны боковых стенок. Подъем температуры жидкого металла над температурой плавления повышает эмиссию электронов на всей поверхности катода, которая поэтому шунтирует пятно дуги. Обусловленное подвижностью жидкости непрерывное изменение ее рельефа, вызванное флуктуациями давления в плазме, мешает развитию дуги. При наличии в желобе слоя шлака он дополнительно защищает металл от дуг, как и нижняя стенка из оксидной керамики, отделяющая металл верхнего желоба от плазмы.

Магнитное поле, создаваемое обмоткой магнита, направлено параллельно боковым стенкам каждого желоба, как и электрический ток, протекающий внутри желоба по металлическому расплаву от плазмы к электрическому контакту. В этих условиях расплав свободен от силы, которая была бы направлена вдоль желоба и искривляла бы поверхность расплава в этом направлении. Вместе с тем на расплав действует сила, направленная поперек желоба и прижимающая его к одной из боковых стенок. Эта сила тем меньше, чем меньше различие в направлениях тока и магнитного поля. При необходимости ее влияние на уровень расплава в поперечном относительно желоба направлении может быть снижено коррекцией магнитного поля, наклоном боковых стенок желоба в сторону, противоположную действию этой силы в каждом сечении желоба, погружением в расплав смачиваемого им керамического волокнистого материала, который стабилизирует положение расплава благодаря действию капиллярных сил.

В желобах с сепаратором 42 возникает круговое движение расплава под напором продуктов сгорания. В зазоре 43, обращенном в канал, расплав движется в направлении потока плазмы (фиг. 3), а в зазоре 44 - в обратном направлении. Циркуляция и перемешивание расплава выравнивают состав и температуру по длине желоба, усиливают теплоотвод, стабилизируют температуру огневой поверхности. Отсутствие тепловых напряжений в металлическом расплаве повышает термостойкость токоотводящей стенки канала. Желоба допускают значительный - более 50% - износ боковых стенок по высоте. В сочетании с возможностью многократного обновления металлического расплава в желобах это увеличивает ресурс канала.

Сущность изобретения: канал МГД-генератора содержит две изолирующие стенки (36, 37) и две токоотводящие стенки, состоящие из электрически изолированных и ориентированных поперек канала керамических желобов (12, 15), заполненных металлическим расплавом, например жидким чугуном. Желоба, образующие верхнюю и нижнюю токоотводящие стенки, выходят на огневую поверхность нижними стенками и верхними торцами боковых стенок соответственно. Желоба расположены горизонтально, а уровень их максимального заполнения расплавом изменяется монотонно вдоль канала в сторону повышения или понижения в соответствии с геометрией канала. В верхней части боковых стенок желобов выполнены сообщающиеся отверстия, образующие коллектор, через который производят заполнение желобов расплавом. На торце желоба расположен охлаждаемый контакт, образованный металлическим стержнем (38) со слоем отвержденного расплава (41), который подключен к внешней электрической цепи. 4 з. п. ф-лы, 11 ил.

1. КАНАЛ МГД-ГЕНЕРАТОРА, включающий две токоотводящие стенки из ориентированных поперек канала электронных секций с керамическими элементами и две изолирующие стенки, отличающийся тем, что токоотводящая стенка выполнена в виде ряда закрытых с торцов желобов, заполненных металлическим расплавом и расположенных горизонтально с монотонным вдоль канала изменением уровня заполнения расплавом, причем длина желобов больше расстояния между изолирующими стенками, а на одном из торцов каждого желоба установлен электрический контакт, подключенный к внешней электрической цепи. 2. Канал по п.1, отличающийся тем, что желоба установлены так, что их нижние стенки образуют огневую поверхность верхней токоотводящей стенки канала. 3. Канал по п.1, отличающийся тем, что желоба установлены так, чтобы верхние торцы их боковых стенок выходили на огневую поверхность нижней токоотводящей стенки канала. 4. Канал по п.3, отличающийся тем, что между желобами расположен наклонный сток. 5. Канал по п.1, отличающийся тем, что в качестве металлического расплава использован жидкий чугун.