Электрод мгд-генератора
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.
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![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/729.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/729.gif)
Формула изобретения
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.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6
Похожие патенты:
Канал мгд-генератора // 1831754
Электрод мгд-генератора // 1817207
Электрод мгд-генератора // 1804688
Электрод мгд-генератора // 1790025
Электрод мгд-генератора // 1790024
Комбинированный электрод мгд - генератора // 1376898
Модуль мгд - канала // 1319770
Изобретение относится к технике высоких температур, преимущественно к конструкциям, работающим в условиях высокой температуры, больших тепловых потоков и скоростей продуктов сгорания, и может быть использовано для изготовления электродных и изоляционных модулей стенок магнитогидродинамического канала
Газовый электрод для мгд-гене-patopa // 799683
Изобретение относится к энергетике и может использоваться для преобразования энергии в магнитогидродинамических (МГД) плазменных устройствах, к которым относятся МГД генераторы электрической энергии и МГД ускорители плазменных сред. Техническим результатом является создание капиллярно-пористых электродов для магнитогидродинамических плазменных устройств, не подверженных деградации и возобновляемых за счет пополнения жидкого металла из резервного объема, что увеличивает их ресурс. Для этого предложен капиллярно-пористый электрод, состоящий из замкнутого корпуса с расплавом металла, поверхность которого, обращенная к плазме, выполнена из волокнистого материала в виде пористых матов из металлических волокон металла с температурой плавления выше температуры плавления металла расплава, при этом корпус соединен с резервной емкостью с расплавом металла. Капиллярно-пористые маты выполнены из металлического войлока или представляют собой многослойную решетку. Металл расплава, металл пористого мата и эффективные размеры его пор выбирают из условия необходимой подачи расплава к поверхности мата за счет капиллярных сил. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.