Канал МГД-генератора Советский патент 1993 года по МПК H02K44/10 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для магнитогид- родинамического преобразования тепловой энергии.

Целью изобретения является увеличение ресурса канала МГД-генератора, снижение расхода дефицитных материалов и расширение функциональных возможностей канала.

Эта цель достигнута благодаря замене твердого токовывода жидким с использованием расплавленного чугуна, заключенного в керамические трубы, которые соединены коллектором для протока расплава и образуют электродные секции.

На чертежах показаны: фиг.1 - канал МГД-генератора, общий вид с поперечным разрезом; фиг. 2 - ступенчатый разрез А--А на фиг. 1; фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг.1; фиг, 4 - соединение канала с металлургической

печью; фиг. 5 - разрез В-В на фиг, 4; фиг. 6 - вариант выполнения канала; фиг. 7 - вид Г на фиг. 6; фиг. 8 - вариант выполнения канала; фиг. 9 - сечение Д-Д на фиг. 8: фиг. 10 - сечение Е-Е на фиг. 8. фиг. 11 - вариант выполнения канала; фиг. 12 - ступенчатый разрез на фиг. 11.

Канал МГД-генератора включает токоотводящие стенки 1,2, составленные из ориентированных поперек канала электродных секций 3,4с керамическим покрытием 5 на огневой поверхности бис токовыводом 7, расположенным под керамическим покрытием. Токоотводящая стенка выполнена в виде ряда 8 заделанных обоими концами вертикально ориентированных труб 9, 10, 11. Трубы состыкованы через изолирующие перегородки 12, 13 боковыми стенками 14, 15, участки 16,17 которых образуют огневую поверхность.

Ч«Г

fe

00

со

ч ся

.

00

Трубы заполнены металлическим расплавом 18, например, жидким чугуном, и расположены с монотонным вдоль канала изменением уровней 19,20, 21 предельного заполнения смежных труб расплавом. В верхней торцовой части каждой трубы выполнены боковые отверстия 22, 23, образующие коллектор 24, расположенный внутри стенки канала. Металлический расплав в трубе покрыт слоем 25 жидкого шлака. Верхние торцы 26, 27, 28 труб расположены в одной плоскости 29, которая наклонена к горизонту 30 вместе с осью 31 симметрии канала.

Между токоотводящими стенками канала расположены две изоли рующие стенки -нижняя стенка 32 и верхняя стенка 33. Расстояние а между ними меньше высоты h трубы, измеренной между ее верхним 26 и нижним 34 торцами. Труба с расплавом подключена к внешней электрической цепи через охлаждаемый контакт 35, вставленный в отверстие нижнего торца трубы и покрытый слоем 36 отвержденного расплава. Трубы с тыльной стороны закрыты общим для них металлическим экраном 37 с каналами 38 для охлаждающей жидкости.

Между трубами и экраном расположен изолирующий слой 39 керамики, например, из волокон. Над первой сверху трубой 40 выполнена воронка 41 для заливки расплава. Последняя труба 42 снабжена сливным отверстием 43, выходящим внутрь канала.

Выход 44 канала, расположенный в нижней его части, подсоединен к плавильной металлургической печи 45, например, мартеновской, а наклон оси канала установлен с ориентацией на под 46 печи, покрытый расплавленным металлом 47. Вместе с каналом наклонены к горизонту камера сгорания 48, сопло 49, магнитная система 50 МГД-ге- нератора. Печь имеет отверстие 51 для удаления продуктов сгорания.

У трубы прямоугольного сечения стенка, обращенная в канал, может быть выполнена в форме накладки 52 либо вставки 53 из керамики с электропроводностью, более высокой, чем у остальных стенок, которые в таких условиях могут быть использованы как изоляторы.

В рассмотренном варианте канала (см.фиг, 1-5) расстояние между изолирующими станками и высота труб постоянны вдоль канала. Расширение канала к выходу достигается увеличением расстояния между токоотводящими стенками 1 и 2. В другом варианте канала (см.фиг. 6, 7) при переменном вдоль канала расстоянии между его дном 54 и потолком 55 токоотводящэя стенка 56 может быть выполнена из труб 57, 58, 59, высота которых ступенчато меняется вдоль канала. Трубы ориентированы перпендикулярно оси 60 канала и сообщаются

через окна 61. Уровни 62, 63, 64 металлического расплава 65 образуют многоступенчатый перепад. При использовании вставок типа 53 обращенные друг к другу стенки 66, 67 труб могут быть выполнены из изолирующей керамики.

Выполнение токоотводящих стенок из труб 68, 69, заполненных металлическим расплавом 70, возможно также в каналах с более сложной формой сечения, в частно5 сти, с искривленными изолирующими стенками 71, 72 (см.фиг.8-10). В средней части трубы может быть выполнена перегородка 73, способствующая развитию конвекции расплава за счет его подъема у наиболее

0 нагретой стенки трубы.

В следующем варианте канала МГД-ге- нератора (см,фиг. 11, 12) электродные секции в форме керамических труб 74, заполненных металлическим расплавом 75,

5 свободно пересекают полость 76 канала, у которого все четыре стенки 77, 78, 79, 80 являются изолирующими. На рабочем участке 81 труб, проходящем через полость канала, трубы отделены друг от друга и от стенок

0 канала промежутками 82, 83. На концы трубы одеты верхняя втулка 84 и нижняя втулка 85, входящие в пазы 86 плит верхней 77 и нижней 78 стенок канала. Смежные верхние и, аналогично, смежные нижние втулки со5 стыкованы друг с другом.

В верхней втулке и верхнем конце трубы выполнен сквозной паз 87, который соединяет секции и входит в общий коллектор 88 для металлического расплава. В отверстии

0 89 нижней втулки расположена электропроводная пробка 90, соединенная с металлической шиной 91 и покрытая слоем 92 отвержденного металлического расплава. Сверху металлический расплав покрыт сло

5 ем 93 жидкого шлака. При необходимости, трубы 74 в их средней части могут быть фиксированы дополнительными опорами, установленными на стенках 79, 80. Для непрерывного обновления металлического

0 расплава в трубе она в своей нижней части может быть снабжена диафрагмой с отверстием для постепенного слива расплава в полость/анала.

В канале МГД-генератора использова5 ны материалы трех типов:

1) проводники с электронной проводимостью - металлический расплав 18.75: шина 91, пробка 90, контакт 35;2) проводники с ионной проводимостью - трубы 9, 74, слои 25, 93 шлака: 3) изоляторы - остальные керамические детали, в частности, стенки 32, 33, 77--80. втулки 84, 85, слой 39.

Металлический расплав -- чугун с содержанием углерода 2-5 мас.%, Шина 91 - из меди либо стали, пробка 90 - из карбида кремния либо стали. При работе на газовом топливе: труЬы - из керамики на основе оксидов циркония либо гафния, стабилизированных оксидами редкоземельных элементов, изоляторы - из керамики на основе оксида магния либо из сплава оксидов алюминия и циркония. При работе на угольном топливе: трубы из пористой изолирующей керамики с возможностью пропитки ее шлаком, полученные, например, путем намотки керамических волокон из оксида алюминия либо его сплава с оксидом циркония, изоляторы - также из керамики на основе оксида алюминия, сплава оксидов алюминия и циркония, сплава оксидов алюминия, циркония и кремния (бакор).

Размеры труб: наружный диаметр 10- 100 мм, толщина стенок 3-20 мм, длина 50- 1000мм.

Ток через стенку трубы из оксида циркония переносят анионы кислорода. На МГД-аноде анионы мигрируют от плазмы к металлическому расплаву, где окисляются с образованием окиси углерода,-пузырьки которой всплывают в металлическом расплаве вверх по трубе. На МГД-катоде анионы кислорода движутся в стенки трубы от металлического расплава, на границе которого они образуются за счет восстановления кислорода, растворенного в чугуне либо присутствующего в порах стенки трубы. Достигнув плазмы, анионы кислорода окисляются до атомов в составе образующихся в канале кислородных соединений, например, двуокиси углерода. Освобождающиеся при окислении электроны мигрируют через плазму к МГД-аноду, где восстанавливаются атомы кислорода из потока до анионов.

При длительном, порядка CVTOK, пропускании тока плотностью 1 А/см через стенку трубы МГД-анода углерод выгорает из чугуна и начинается образование оксидов железа, которые всплывают в слой 25 шлака. Для обновления состава металлического расплава периодически заливают его новые порции в воронку 41, откуда он через отверстия 22,23 растекается по трубам, вытесняя слой 25 шлака. Излишки металлического расплава и шлак сливаются через отверстие 43 в канал, откуда потоком плазмы сносятся в печь 45, обогреваемую выходящими из канала продуктами сгорания. В интервалах между заправками канала расплавом перепад уровней 19, 20, 21 .обеспечивает разобщение расплавов в смежных трубах, исключая возможность замыкания секций расплав в боковых отверстиях 22. 23. Для заправки канала используют расплав 47 из 5 печи 45, вводя в него за пределами печи необходимые добавки, например, углерод.

Промежутки 82, 83 вокруг трубы (см.фиг. 11,12) улучшают межсекционную изоляцию.

0 При выделении шлака из потока они препятствуют образованию сплошной шлаковой пленки на токоотводящих стенках. Кроме того, промежутки выравнивают температуру по сечению трубы, повышая этим

5 термостойкость токоотводящей стенки. Отсутствие специального жидкостного охлаждения упрощает конструкцию канала, повышает электропроводность приэлект- родногослоя плазмы. Оптимальным являет0 ся однократное длительное использование канала. Однако допустимы перерывы в его работе с постепенным охлаждением расплава в трубах. Для первого заполнения труб могут быть использованы твердые ме5 таллические стержни, расплавляемые по мере нагрева канала, либо уже расплавленный металл, заливаемый в трубы после разогрева канала.

В противоположность твердому токовы0 воду, температура применения которого ограничена его летучестью и плавлением,- например, 1700°С для хромита лантана, разлагающегося с испарением оксида хрома, - жидкий металлический токовы5 вод позволяет повысить температуру токоотводящей стенки - до 2500°С для трубы из оксида циркония, заполненной жидким чугуном. Выравнивая за счет конвекции температуру по сечению трубы и не имея

0 внутренних напряжений, жидкий токовывод повышает термостойкость токоотводящей стенки. Это и обеспечиваемая перепадом уровней возможность многократного обновления жидкого токовывода увеличива5 ет ресурс канала МГД-генератора. Кроме того, изменение состава металлического расплава в трубе по мере пропускания тока позволяет использовать действующий канал МГД-генератора для предварител-ь0 ной обработки жидкого металла, что расширяет функциональные возможности канала.

Формула изобретения 51. Канал МГД-генератора, включающий

две изолирующие стенки и две токоотводя- щие стенки, составленные из ориентированных поперек канала электродных секций с керамическим покрытием на огневой поверхности и с токовыводом, расположенным под керамическим покрытием, отличающийся тем что токоотводящая,стенка выполнена в виде ряда вертикально ориентированных труб, заполненных металлическим расплавом, торцы которых закреплены в изолирующих стенках, причем трубы расположены с монотонным вдоль канала изменением уровня заполнения смежных труб расплавом, а в верхней торцовой части каждой трубы выполнены боковые отверстия, образующие коллектор внутри стенки.

2. Канал по п. 1,отличающийся тем, что выход в канале расположен в нижней части канала.

5

3.Канал по п. 2, отличающийся тем, что выход канала подсоединен к металлургической плавильной печи.

4.Канал по п. 1,отличающийся тем, что верхние торцы труб расположены в одной плоскости, которая наклонена по отношению к горизонту.

5.Канал по п. 1,отличающийся тем, что на участках между плоскостями изолирующих стенок труба пересекает полость канала.

6.Канал по п. 1,отличающийся тем, что в качестве металлического расплава использован жидкий чугун.

Сущность изобретения: канал МГД-ге- нератора содержит изолирующие стенки, токоотводящие стенки 1,2, составленные из поперечных электродных секций 3, 4 с керамическим покрытием 5 и токовыводом 7, 35. Электродные секции выполнены в виде вертикальных труб 9,10,.11, которые состыкованы через изолирующие перегородки 12, 13. Боковые стенки секций образуют огневую поверхность. Трубы заполнены металлическим расплавом, например жидким чугуном, и расположены с монотонным изменением уровней предельного заполнения смежных труб вдоль канала. В верхней части труб выполнены боковые отверстия, образующие коллектор внутри стенки. Верхние торцы труб расположены в одной наклонной к горизонту плоскости. Выход канала может быть подсоединен к металлургической плавильной печи. 5 з.п.ф- лы, 12 ил,

ч ff

м

je 39

Pacn/iaS

г

28

I

JC

33

Расплав

Л-А

Т

РасплаВ порциями

19 26 20 27 21

J

48 Iff so 4Ь

6-6

2

иг, J

Фиг. 4

..

TtSj4.p.

Фиг. 5

J

9аш

66

78

82 7Ь 85 Ы 76

91

9иг. И

ж-Ж