Канал МГД-генератора Советский патент 1993 года по МПК H02K44/12 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в МГД-генерато- рах открытого цикла.

На чертежах показаны: фиг. 1 - канал МГД-генераторэ, общий вид с поперечным разрезом; фиг. 2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг. 3 - токоотводящая стенка канала в разрезе (увеличено); фиг. 4 - разрез Б-Б на фиг. 3; фиг. 5 - контур поперечного сечения нижней части канала (схема); фиг. 6, 7 - варианты выполнения канала; фиг. 8 - вид В на фиг. 7 (с удаленной верхней частью канала).

Канал МГД-генераторз включает две токоотводящие стенки 1 и 2, составленные из ориентированных поперек канала электродных секций 3, 4с электрическими контактами 5, соединенными с внешней цепью, а также две изолирующие стенки 6. 7.

Одна изолирующая стенка выполнена в форме свода 8. опирающегося на два цоколя

9, расположенных по обе стороны от плоскости симметрии 10 канала. Цоколи имеют сквозные отверстия 11. Другая изолирующая стенка расположена ниже первой и выполнена в виде барьера 12 между токоотводящими стенкакч, установленными на основании 13 канала, выполненном в виде керамической плиты. Барьер делит основание канала на две продольные полосы с системой 14 сточных канавок 15. Продольные сточные канавки 16, 17 соединены поперечными сточными канавками 18, ориентированными под углом 45° к продольным канавкам.

Каждая электродная секция выполнена в виде керамического желоба 19, закрытого с торцов 20 и заполненного металлическим расплавом 21, например жидким чугуном, до уровня 22, лежащего ниже краев бортов желоба.

СП

с

00

со VI

01

ел

СА)

Длина желоба превосходит расстояние между цоколем и барьером. Электрический контакт установлен на торце желоба, ближайшем к цокольному отверстию. Желоба установлены на основании канала по обе стороны от барьера 12. Концы желобов с электрическими контактами и торцами желобов расположены в цокольном отверстии. Между смежными желобами выполнены за- зоры,сообщающиеея с системой сточных канавок. Зазоры фиксированы выступами, выполненными на боковых стенках желобов в виде керамических накладок. В местах расположения выступов зазоры перекрыты, что, в частности, обеспечивает герметизацию цокольных отверстий.

В барьере 12, образующем изолирующую стенку, выполнен проточный канал 23, разделенный на ячейки 24 перегородками 25, и сточные каналы 26, 27, соединяющие каждую ячейку с ближайшими желобами, причем высота перегородок проточного канала меньше его глубины. Цоколь 9 снабжен проточным каналом 28 со сточными каналами в виде сквозных отверстий 29.

Металлический расплав в желобе покрыт слоем 30 жидкого шлака, выходящим на огневую поверхность. В желобе между его бортами размещен волокнистый керамический материал в виде брикета 31, который пропитан металлическим расплавом в нижней части брикета и жидким шлаком в верхней части брикета. Брикет может быть выполнен, например, в форме пакета из листов керамической ткани, спеченных друг с другом в отдельных местах. Между брикетом и дном желоба сохранен промежуток для свободного перемещения металлического расплава.

Основание канала установлено под углом к горизонтальной плоскости, с наклоном в направлении потока плазмы в канале. Поверхность основания канала образует с горизонтальным уровнем угол 5°. Цокольные отверстия ограничены ребрами,расположенными в промежутках между группами смежных желобов. Ребра служат опорами цоколя и барьера, фиксируют расположение желобов и отделены от желобов зазорами в местах между выступами.

Электрический контакт включает металлическую скобу 32, стальную или медную, одетую на торец желоба и покрытую слоем 39 отвержденного металлического расплава и слоем 34 отвержденного шлака. Граница раздела между отвержденным слоем и жидким металлическим расплавом расположена в слое волокнистого керамического материала, что уменьшает конвекцию жидкого металла на этой границе и способствует установлению стационарного теплообмена.

Барьер составлен из керамических бруса 35, накладок 36 и покрытия 37. Проточные

каналы и сточные канавки снабжены облицовкой 38 из плотной керамики. Ячейки, расположенные против ребер, заделаны до уровня перегородок керамическими вставками. Свод включает два крыла 39, 40 смыкающиеся через центральный брус 41, в котором выполнены люки 42 с пробками 43. Наружная часть свода покрыта металлическими щитками 44.

Сверхпроводящая магнитная система

5 содержит уплощенную обмотку 45, стороны 46, 47 которой расположены под желобами. Обмотка образует магнитное поле, силовые линии 48, 49 которого расходятся в изогнутом сечении канала с приближением их ори0 ентации к горизонтальной вблизи желобов. В торцах желобов выполнены окна для слива шлака, конденсирующегося из потока. Верхний край желоба может быть выполнен с уклоном 50 вдоль желоба, например, за

5 счет изменения высоты борта. Линия скорейшего спуска полосы основания перпендикулярна ориентации желобов. Основание 13 канала опирается на металлическую плиту 51,

0 Наряду с общим для обеих полос 52 и

53уклоном вдоль канала, каждая полоса имеет уклон поперек канала к его периферии (см.фиг. 5). Полосы 52 и 53 расположены на сторонах двугранного угла. В этих усло5 виях линия 54 скорейшего спуска полосы 52 наклонена к плоскости 10 симметрии канала, что обеспечивает горизонтальное продольное расположение желобов (см.фиг. 1). При этом

0 /3tg у,

где а - угол поперечного уклона полосы, равный половине угла, дополняющего двугранный угол на 180°;

ft - угол продольного уклона канала.

5 равный углу между ребром двугранного угла, образованного полосами, и горизонтальной плоскостью (близок к углу между линией

54скорейшего спуска и горизонтальной плоскостью);

0 у- угол разворота желоба, равный углу между линией 54 скорейшего спуска и плоскостью 10 симметрии (см.фиг. 5, 4, 8).

Такая геометрия канала расширяет возможности выбора режима его работы и, в частности, позволяет использовать составляющую потока для продвижения шлака вдоль желоба к сливному окну. Приемлема и более простая геометрия, когда линия скорейшего спуска параллельна

5

плоскости 10 симметрии, а желоба ориентированы перпендикулярно этой плоскости (, ).

Вместо сечения в форме полукругла (см.фиг. 1) канал МГД-генератора может иметь сечение в полуовала с линейной областью 55, соединяющей сектора 56, 57, в основании которых расположены токо- отводящие стенки 59, 58,симметричные относительно плоскости 60 (см.фиг. 6). При размещении обмотки магнита под токоотво- дящими стенками (как на фиг; 1) магнитное поле в линейной области сечения более однородно, чем в секторах.

В другом варианте канала МГД-генератора свод 61 установлен на цоколях 62, выполненных по обе стороны от плоскости 63 симметрии канала (см.фиг. 7,8). Цоколи имеют сквозные отверстия между ребрами. Барьер 64 делит основание канала на две полосы, расходящиеся к выходу из канала под углом у к плоскости 63 симметрии. В основании канала выполнена система сточных канавок с продольными канавками 65 и поперечными канавками. На полосах установлены электродные секции в виде желобов, заполненных металлическим расплавом 66. Между смежными желобами, а также между желобами и ребрами установлены зазоры, сообщающиеся с системой сточных канавок.

Зазоры фиксированы выступами, выполненными на желобах и ребрах. Профили желоба и ребра имеют вогнутость 67 с центром 68 в наиболее низко расположенной точке профиля. Центры вогнутостей желобов и ребер находятся на линии, ориентированной вдоль полосы и проходящей над выступами, перекрывающими зазоры. При этом вогнутости желобов и ребер образуют русло для стекания металлического расплава вдоль полосы и распределения его по желобам в периоды заправки канала.

Внутри желоба между его бортами размещен волокнистый керамический материал 69 с волокнами 70, ориентированными по высоте желоба. Волокнистый материал имеет разрыв в окрестности линии центров. Между бортами желоба установлена также полая перегородка, образующая жидкостный затвор. Под перегородкой расположена граница раздела между металлическим расплавом и отвержденной его частью, примыкающей к скобе электрического контакта.

Металлический расплав покрыт слоем 71 жидкостного шлака, пропитывающего волокнистый материал 69. Концы ребер входят а гнезда, выполненные в покрытии 72

.

барьера. Уплощенная сверхпроводящая обмотка 73 создает в искривленном сечении канала магнитное поле с расходящимися силовыми линиями 74, 75. Могут быть приме- 5 нены также дополнительные обмотки, корректирующие магнитное поле в канале и расположенные иод обмоткой 73 и над сводом 76.

В ориентации желобов возможны вари- 10 анты. В частности, желоб 77 ориентирован под углом у к поперечной плоскости 78, которая перпендикулярна плоскости 63 симметрии. - в отличие от ориентации желобов 79, 80 параллельно плоскости 78. Уклон ос- 15 нования канала со снижением в направлении потока плазмы (см.фиг. 4) облегчает стекание металлического расплава по руслу 81 и удаление шлака из системы 82 сточных канавок.

0 В переносе тока через канал участвуют плазма, шлак, металлический расплав и электрический.контакт. Скоба контакта может быть изготовлена как из металла, так и из электропроводной керамики, например,

5 карбида кремния. В остальном, все керамические детали канала, в частности, желоба, выполнены из керамики с изолирующими свойствами,, что расширяет возможности выбора материала. В канале, предназна0 ченном для работы на угольном топливе с кислым шлаком, целесообразно использовать изолирующую керамику на основе оксида алюминия - в виде корунда либо бакора, включающего еще оксиды циркония

5 и кремния. Например, желоба, облицовка стоков, покрытие барьера могут быть выполнены из литого корунда с огнеупорностью до 1800°С, а волокнистый материал для заполнения желобов - из волокон на основе

0 оксида алюминия, сплавленного с оксидом циркония.

В канале, предназначенном для работы на газовом топливе, целесообразно использование керамики на основе оксида магния.

5 Металлические детали канала изготавливают из немагнитных материалов. В частности, щиты 44 и плиту 51 - из нержавеющей стали. В качестве металлического расплава используют чугун с начальным содержани0 ем углерода 2-5 мае. % с температурой плавления 11QO°C и выше. Конденсирующийся из потока угольный шлак включает оксиды кремния, алюминия, железа, кальция и ряда других (а порядке снижения их весовой до-

5 ли). При использовании желобов из стабилизированных оксидов циркония либо гафния допустим нагрев огневой поверхности до 2500°С. . В процессе сборки канала МГД-генератора, на основание 13 канала устакэвпиззют цоколи 9 с ребрами .барьер 12 желоба, после чего на цоколи опускают свод 8. Желоба могут быть выдвинуты из собранного канала и вставлены обратно. В частности, возможна замена желоба во время работы канала.

Для пуска МГДтенератора канал разогревают бесшлаковым топливом, заливают в желоба металлический расплав, после чего переходят на угольное топливо. Шлак, оседающий из потока плазмы на стенках канала, образует непрерывный обновляющийся слой на жидком расплаве. Излишки шлака затекают в зазоры и спускаются в систему 14 сточных канавок, выводящую шлак из канала. Пропитанный шлаком брикет 31 выполняет роль приогневого слоя электродной секции. Шлак обеспечивает достаточную электропроводность брикета, волокнистый материал стабилизирует толщину слоя шлака, содействует приближению поверхности электродной секции к ядру потока за счет капиллярного поднятия шлака. Слой шлака защищает металлический расплав от возникновения дуг.

Шлак, обладающий ионной проводимостью, находится между фазами с электронной проводимостью - плазмой и жидким чугуном. В МГД-катоде на поверхности чугуна восстанавливаются растворенный в чугуне кислород и входящие в состав шлака окислы металлов, в частности, железа. Образующиеся при этом анионы кислорода мигрируют через шлак к плазме, отдают ей электроны и уносятся потоком в виде атомов кислорода либо других продуктов окисления. В МГД-аноде двуокись углерода и кислород, присутствующие в потоке плазмы, восстанавливаются на границе шлака с плазмой, давая анионы кислорода, которые мигрируют к поверхности чугуна и окисляются там с образованием окиси углерода. Пузырьки окиси углерода выталкиваются шлаком в поток плазмы либо увлекаются течением шлака в систему сточных канавок.

В результате этих процессов чугун на катодной токоотводящей стенке канала освобождается от растворенного кислорода и поглощает восстановленное из шлака железо, на анодной стенке теряет растворенный углерод. Присутствие в чугуне углерода предотвращает окисление железа на анодной стенке. Однако и в условиях дефицита углерода работоспособность канала сохраняется, так как образующиеся на поверхности металлического расплава окислы железа переходят в шлак.

Например, при высоте слоя чугуна в желобе 70 мм, содержании углерода 4.% И

плотности тока 1 А/см в слое 58 шлака, растворенного углерода хватает на 10 ч. железа - на 2 сут. Для коррекции состава и уровня металлического расплава в желобе

производят периодическую - раз в несколько часов - заправку канала металлическим расплавом. Для этого заливают расплав в проточные каналы, откуда он распределяется по желобам. Допустимо заполнение

0 желобов доверху, так как избыток металлического расплава, который мог бы замкнуть смежные электродные секции накоротко, стекает под уклон, спускается по зазорам в сточные канавки. Удалению излишков металлического расплава из каждого желоба содействует также поток плазмы.

Другой вариант канала (см.фиг. 7, 8) обеспечивает заправку без специальных протоков. Металлический расплав вводят в

0 один из желобов, откуда он стекает по руслу 81 вдоль канала, последовательно заполняя нижележащие желоба. Движение металлического расплава по руслу 81, естественное при наклонном расположении канала, воз5 можно также и при строго горизонтальном положении основания канала - под напором потока плазмы. На время заправки - порядка минуты - скорость потока снижают, например, уменьшая подачу топлива в ка0 меру сгорания. После заправки скорость потока увеличивают до номинального значения, что приводит к утончению пленки шлака на поверхности русла. Кроме того, утечка тока через эту пленку с одной элект5 родной секции на другую вдоль канала препятствует в магнитном поле движению пленки вдоль русла, оттесняет ее поперек русла, сбрасывая в зазоры. Снижение температуры стенок канала за время заправки

0 незначительно.

Необходимый для заправки канала металлический расплав может быть получен нагревом металлический шихты, например, чугунного лома, газами, выходящими из ка5 нала. Возможно также включение работы данного канала в цикл металлургического производства для предварительной обработки расплавленной шихты, например, для удаления растворенных кислорода и

0 углерода. Обновление состава металлического расплава происходит за счет смешения новой порции расплава с содержимым желоба и последующего вытеснения излишков расплава за борт или через окно.

5 Кроме того, в дне желоба может быть выполнена диафрагма для утечки металлического расплава с заданной скоростью. Вытесненный их желоба металлический расплав попадает в систему сточных канавок, откуда после отделения от шлака поступает в специальный сборник за пределами канала. При необходимости, после введения добавок он может быть использован повторно для заправки канала,

Желоба имеют следующие размеры: расстояние между бортами 10 мм (5-30 мм), высота борта изнутри 100 мм (50-200 м), толщина борта 10 мм (5-15 мм), зазоры между желобами 5 мм (2-10 мм), длина желоба 100-1000 мм.

Поток плазмы постепенно изнашивает стенки канала, уменьшает высоту бортов желоба. Однако желоб в качестве электродной секции остается работоспособным при стачивании его бортов - пока он может удерживать непрерывный вдоль желоба слой металлического расплава. Конструкция канала не накладывают существенных ограничений на высоту бортов желоба. Увеличение высоты бортов увеличивает ресурс канала.

Значительное содержание оксида алюминия в угольном шлаке, обычно выше 20% весовых, снижэет скорость растворения корундовых бортов в шлаке, так как способствует связыванию оксидов железа с образованием герценита РеОА1гОз (плавится при 1780°С) и затем эвтектики герценита с вюститом FeO (плавится при 1330°С).

Опасный для корунда тепловой удар исключен в данной конструкции канала благодаря снижению перепада температуры по высоте желоба - в его поперечном сечении. Зазоры и стоки дают нагретому потоку газа обтекать желоб не только сверху, но и снизу и с боков. Конвекция металлического расплава внутри желоба также выравнивает температуру по его сечению. Специальное охлаждение дна желоба отсутствует. В этих условиях тепловая деформация желоба выражается, в основном, с свободном удлинении г перемещением его холодного конца в отверстии цоколя.

По мере износа бортов желоба вогнутость 67 в центральной части токоотводя- щей стенки сохраняется, так как скорость потока здесь выше, чем в углах сечения канала. При этом воспроизводится и русло 81. Износ борта в области русла может быть ускорен, например, путем увеличения пористости керамики в этом месте борта, применением пористого выступа 83.

Конструкция канала допускает различные способы его нагружения - фарадеев- ский, диагональный и холловский. Отвод тока вдоль секции по слою жидкого металла к торцу желоба снижает требования к охлаждению секции, способствует повышению температуры приэлектродного слоя плазмы, делает возможной замену секция

без разрушения стенки, позволяет обойтись без наружной системы жидкостного охлаждения по всей площади токоотводящей стенки, что упрощает конструкцию канала. 5 Слой металлического расплава не препятствует тепловому удлинению керамики, что увеличивает термостойкость токоотводящей стенки канала.

Зазоры между секциями разрывают

0 пленку угольного шлака и уменьшают этим утечку тока, способствуют освобождению канала от шлака. Независимость геометрии огневой поверхности от глубины желоба позволяет увеличить ресурс канала путем уве5 личения высоты корундовых бортов, постоянно стачиваемых потоком. Периодическая заправка желоба дает возможность использовать в качестве токовывода жидкий чугун либо другой недефицитный рас0 плав. Проточные полости в изолирующих стенках и русло вдоль токоотводящей стенки обеспечивают автоматическое растекание расплава по секциям, что упрощает обслуживание канала.

5Размещение в желобе волокнистого материала, пропитанного оседающим из потока шлаком, допускает изменение наклона огневой поверхности электродной секции над горизонтальной поверхностью металли0 ческого расплава. Расположение уплощенной обмотки магнита под каналом, соответствующее изогнутому сечению канала, упрощает монтаж канала, позволяет увеличить массу обмотки и создаваемое ею

5 поле.

Простота конструкция и значительный ресурс описанного канала МГД-генератора делают целесообразным применение его в промышленных установках.

0

Формула изобретения 1. Канал МГД-генератора, включающий две токоотводящие стенки, составленные из ориентированных поперек канала электрод5 ных секций с электрическими контактами, соединенными с внешней цепью, и выходящими на огневую поверхность керамическими элементами, а также две изолирующие стенки, отличающийся тем. что одна

0 изолирующая стенка выполнена в форме свода, опирающегося на два цоколя со сквозными отверстиями, а другая расположена ниже первой и выполнена в виде барьера, разделяющего токоотводящие

5 стенки, установленные на основании канала, выполненном в виде керамической плиты с системой сточных канавок, при этом каждая электродная секция выполнена в виде керамического желоба с аыступами на боковых стенкзх, закрытого с торцов и заполненного металлическим расплавом, а электрический контакт установлен на конце желоба, расположенного в цокольном отверстии.

2.Канал по п. 1, отличающийся тем, что в барьере выполнен проточный канал, разделенный перегородками на ячейки, и сточные каналы, соединяющие каждую ячейку с ближайшими желобами, причем высота перегородок проточного канала меньше его глубины, а длина желоба превосходит расстояние между цоколем и выступом.

3.Канал по л. 1,отличающийся тем, что основание канала установлено под

0

углом к горизонтальной плоскости с наклонном в направлении потока плазмы в канале.

4.Канал по п. 1,отличающийся тем, что в желоб помещен волокнистый материал, смачиваемый металлическим расплавом и жидким шлаком.

5.Канал по п. 1,отличающийся тем, что стенки желобов выполнены так, чтобы на огневой поверхности вдоль канала образовалось вогнутое русло.

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

Сущность изобретения: канал МГД-ге- нератора содержит две токоотводящие стенки, составленные из ориентированных поперек канала электродных секций с электрическими контактами, соединенными с внешней цепью, а также две изолирующие стенки в виде свода и барьера. Электрические секции выполнены в виде керамических желобов, заполненных металлическим расплавом, например чугуном, в который помещен волокнистый материал. Изолирующая стенка опирается на два цоколя, которые имеют отверстия. Другая изолирующая стенка установлена на наклонное основание канала с системой сточных канавок. Стенки желобов образуют вдоль канала вогнутое русло, а электрические контакты расположены в торцевых областях желобов. Внутри стенки проходит проточный канал, соединенный сточными каналами с желобами. Длина желобов больше, чем расстояние между цоколем и барьером. 5 з.п.ф- лы, 8 ил.

tf

JS

Фиг.{

Ј MЈt) tfW/yfa.-J.}

2 Мф

ЮМ О I/U XOUJSU

v-r

991ieat

««I Ё я «1 1«ш а« яя11м

Ш-.Ш1

77

Редактор

Фиг.й

Составитель Я. Гохштейн Техред М.Моргентал

Я 55 55 57 59 Фиг.5

Корректор М. Петрова