Способ восстановления конструкционных элементов стенки канала МГД-генератора Советский патент 1993 года по МПК H02K44/08 

Изобретение относится к области энергетики, более конкретно - к области прямого преобразования теплоты в электрическую энергию с помощью магнитогидродинами- ческого генератора - и может быть использовано на различных МГД-установках открытого цикла.

Заявляемое техническое решение является промышленно применимым, так как оно может быть использовано в области энергетики на различных МГД-установках открытого цикла.

Существо заявляемого способа заключается в следующем.

Стабилизированный материал стенки образуется в камере сгорания в результате термолиза раствора смеси соли металла, оксид которого составляет основу материала

стенки канала, с солью металла, образующей стабилизирующий оксид. Процесс тер- молиза включает в себя следующие основные стадии:

1. Испарение растворителя и образование сухого остатка, состав которого зависит от химической природы исходных солей и растворителя.

2. Термическое разложение сухого остатка до оксидов соответствующих металлов и образование твердого раствора на их основе.

Процесс термолиза можно представить в виде следующей схемы:

00

о о

4 СО 00

со

А + В Ј С Ј МО

А + В -

хМО + уМ О - МХМ У0(х + у).

Т, Т Ti,,

где А - соль металла, образующая основной оксиду.

А - соль металла, образующая стабилизирующий оксид;

В, В -дополнительные реагенты, необходимые для образования соответственно основного и стабилизирующего оксидов;

С, С - промежуточные соединения, предшествующие образованию соответственно основного и стабилизирующего оксидов; . МО - основной оксид; МО- стабилизирующий оксид; (х.+ у) - твердый раствор основного и стабилизирующего оксидов;

х - мольные доли основного оксида; у-мольные доли/ стабилизирующего оксида;

Т, Т - температуры образования промежуточных соединений, предшествующих образованию соответственно основного и стабилизирующих оксидов;

Ti,T i-температуры образования соответственно основного и стабилизирующего оксидов;

Та - температура образования твердого раствора из основного и стабилизирующих оксидов.

Образующаяся в результате термолиза частица состоит из твердого раствора основного и стабилизирующего оксидов и имеет несовершенную кристаллическую структуру. Это приводит к повышенной активности термолизной частицы и позволяет ей образовывать покрытие на поверхности стенки канала при температуре равной и выше температуры образования твердого раствора. Эта температура существенно ниже температуры плавления соответствующих оксидов.

Использование в качестве исходного материала раствора смеси солей позволяет осуществить гомогенизацию компонентов на ионном уровне. Это дает возможность обеспечить полДую стабилизацию конечного продукта. Введение в исходный раствор смеси солей в количестве, соответствующем определённому соотношению их концентрации в растворе, позволяет получить в результате термолиза материал с заданным химическим и фазовым составом, и, следовательно, обладающий необходимыми механическими, электрофизическими и теплофизическими свойствами.

Использование в качестве исходного материала раствора смеси солей позволяет

исключить технологически сложные узлы ввода, обеспечивает возможность получения термолизных частиц необходимого фракционного состава.

Изобретение поясняется чертежом, на котором, представлена диффрактограмма кубической модификации стабилизированного диоксида циркония, полученного в результате термолиза водного раствора смеси солей ZrOCl2 8H20 и CaCl2.

Пример конкретной реализации. Заявляемый способ восстановления поверхности высокотемпературной стенки канала с покрытием из керамики на основе стабили- зированного оксидом кальция диоксида циркония испытан на стенде физико-технических исследований. С этой целью к камере сгорания была пристыкована модель электродной стенки канала магнитогидродина- мического генератора, составленная из комбинированных (металлический каркас, наполненный керамикой) электродов с размерами в плане 20x30 мм2.

Исходные данные эксперимента: Рабочее вещество установки-продукты сгорания метана в воздухе, обогащенном кислородом до до2 0,95.

Коэффициент стехиометрии ег 0,95

Температура рабочего вещества в каме- ре сгорания Ткс 3100 К

Расход рабочего вещества Gpe 105 г/с

Температура рабочего вещества над стенкой Т. 2800 К

Температура керамики на поверхности стенки Tw 2100 К

После выхода камеры сгорания на расчетный режим работы во входную часть камеры сгорания подавали через пневматическую форсунку водный раствор циркония (IV) хлорокиси.8-водной ZrOCl2 8Н20 (х.ч.) и кальция хлорида СаС12 (ч.) со следующими параметрами:

содержание солей на 100 г раствора, г:

ZrOCl2 8H20 - 28,035 CaCl2-1,443

расход раствора через форсунку Gp 3 г/с

размер капель раствора в.рабочем веществе dp 3 10; м

-Процесс термолиза водного раствора смеси солей циркония и кальция в продуктах сгорания метана включает в себя:

1. Испарение воды и образование сухо- го остатка в виде кристаллогидратов солей, входивших в состав раствора.

2. Термическое разложение сухого остатка и образование твердого раствора за- мещения, протекающие по схеме:

ZrOCl2 nHaO CaCl2 mH2d 0,87Zr02 + 0,13CaO

Zr

S55K

- Ca

3CaO

Zr02 + 2HCI + (n-1)H20,

CaO

S55K

- CaO + 2HCI+(m-1),

ПОК

- Zro.ayCa/,(5-01,87

Сущность изобретения: в камере сгорания МГД-генератора проводят термолиз раствора смеси соли металла, оксид которого составляет основу материала восстанавливаемых элементов стенки МГД-канала, с солью металла, образующей стабилизированный оксид. Термолиз проводят при коэффициенте стехиометрии а : 1. Молярная концентрация термолизных частиц по величине не меньше, чем концентрация насыщенныхпаров материала восстанавливаемых элементов. Концентрация соли металла, образующего стабилизирующий оксид, соответствует структурной модификации термолизных частиц. Термо- лизные частицы, размером менее 10 м вводят в канал, где они осаждаются на стенках. Температуру восстанавливаемых элементов стенки поддерживают выше температуры образования твердого раствора основного и стабилизирующего, оксидов материалов стенки. 1 з.п. ф-лы,; 1 ил., 1 табл. (Л С

где n, m - число молекул воды, входящих е состав кристаллогидратов соответственно цирконил хлорида и хлорида кальция.

Водный раствор смеси солей циркония и кальция гововится из расчета получения в конечном продукте твердого раствора замещения состава Zro,87Cao,i30i,87, при этом до- ля Zr02 по отношению к раствору составляла 0,11, а по отношению к рабочему веществу 0,003. Доля насыщенных паров «диоксида циркония над стенкой канала не превышала

Выбранные параметры раствора позволяют получить интенсивное высаждение на поверхности электродов стенки стабилизированного диоксида циркония кубической модификации, образующего прочное по- крытие, которое является устойчивым к температурным колебаниям.

Результаты эксперимента. . На керамической поверхности электро- дов образовано прочное покрытие толщиной 2-3 мм.

По данным рентгенофазового анализа вещества покрытия и термолизных частиц, взятых пробоотборниками из рабочего вещества над поверхностью стенки, материал покрытия и термолизных частиц представляет собой кубическую модификацию диок- 30 температуру образования твердого раство- сида циркония (см. табл., чертеж),ра основного и стабилизирующего оксидов

По данным петрографического анализа подтверждается образование кубической -модификации диоксида циркония.

Размер термолизных частиц, определенный на минералогическом микроскопе МИН-8, составлял t$ м.

В результате эксперимента доказано, что термолиз раствора смеси солей металлов основного и стабилизирующего оксидов в камере сгорания позволяет получить подрытые на поверхности стенка канала маг- нитогидродинамического генератора, обладающее необходимым химическим и фазовым составом, и характеризуемое соответствующими механическими, теплофизи- ческими и электрофизическими свойствами. Таким образом, полученные результаты эксперимента подтверждают новизну, изобретательский уровень и работоспособность защищаемого способа восстановления стенки каналаМГД-генератора.

Формулаизо. бретения 1. Способ восстановления конструкционных элементов стенки канала МГД-гене- ратора, заключающийся в высаждении частиц материала конструкционных элементов стенки из потока плазмы на поверхность конструкционных элементов стенки, отличающийся тем, что высаждэющиеся частицы образуют в процессе термолиза раствора смеси соли металла, оксид которого составляет основу материала конструкционных элементов стенки канала, с солью металла, образующей стабилизирующий оксид, путем подачи во входное сечение камеры сгорания раствора смеси солей и дополнительного окислителя, при этом термолиз раствора смеси солей проводят с одновременной стабилизацией полученных частиц при температуре потока плазмы, превышающей температуру образования твердого раствора основного и стабилизирующего оксидов материала конструкционных элементов стенки канала, а высаждение термолизных частиц материала конструкционных элементов стенки канала из потока плазмы на поверхность конструкционных элементов стенки проводят при температуре восстанавливаемых конструкционных элементов стенки канала, превышающей

материала конструкционных элементов стенки канала.

тем, что термолиз раствора смеси солей в камере сгорания проводят при коэффициенте стехиометрии а$ 1, а молярную концентрацию термолизных частиц, образующих материал конструкционных элементов стенки канала, при термолизе выбирают равной или большей концентрации насыщенных паров материала конструкционных элементов стенки в кашле, причем концентрацию солей металла, образующей стабилизирующий оксид, выбирают соответствующей структурной модификации термолизных частиц материала конструктивных элементов стенки канала, а размер термолизной частицы материала конструкционных элементов

стенки канала обеспечивают менее 105 м путем распыления раствора смеси солей в камере сгорания.