ЭЛЕКТРОД МГД-ГЕНЕРАТОРА Российский патент 1995 года по МПК H02K44/10 

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

Известен электрод МГД-генератора с твердым платиновым токовыводом, отделенным от потока плазмы керамическим покрытием [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].

Сочетание термостойкости с электропроводностью достигнуто в известных электродах применением дефицитных материалов. Жидкая платина, обращенная в поток плазмы, подвержена образованию дуг, сокращающих срок службы электрода.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

Сущность изобретения: электрод включает емкость в виде цилиндра 14 со стенками из волокнистого керамического материала, заполненнго металлическим расплавом, и электрический контакт в виде разъемного шарнира 25, 26. Боковые стенки емкости выполнены из керамической ленты 11, намотанной с перекрытием слоев, по внешней поверхности обмотки навита керамическая пружина 17. Электрический контакт вставлен в отверстие нижней торцевой керамической втулки. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. ЭЛЕКТРОД МГД-ГЕНЕРАТОРА, включающий расположенную на огневой поверхности полости канала керамическую емкость с металлическим расплавом и электрический контакт, отличающийся тем, что боковые стенки керамической емкости выполнены из волокнистого керамического материала в виде вертикально ориентированной цилиндрической обмотки. 2. Электрод по п.1, отличающийся тем, что обмотка выполнена из керамической ленты с перекрытием слоев, причем по боковой поверхности обмотки навита керамическая пружина, а на торцах обмотки установлены керамические втулки. 3. Электрод по п.1 и 2, отличающийся тем, что электрический контакт выполнен в виде разъемного шарнира, включающего охлаждаемый металлический стержень и керамическую пробку из электропроводного материала, вставленную в отверстие нижней торцевой керамической втулки.