Канал мгд-генератора

(54) КАНАЛ МГД-ГЕНЕ (57) Сущность иэобре нератора содержит стенки, .составленные поперек канала электр трическими контакта внешней цепью, а так стенки в виде свода и РАТОРА тения; канал две токоотв из ориентир одных секци ми, соединен же две изоли барьера. Эл МГД-геодящие ованных й с элекными с рующие ектричеГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в МГД-генераторах открытого цикла.На чертежах показаны: фиг. 1 - канал МГД-генератора, общий вид с поперечным разрезом; фиг. 2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг. 3 - токоотводящая стенка каналав 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 8 на фиг.7 (с удаленной верхней частью канала).Канал МГД-генератора включает две токоотводящие стенки 1 и 2, составленные из ориентированных поперек канала электродных секций 3, 4 с 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.,Ж 1831755 АЗ ские секции выполнены в виде керамических желобов, заполненных металлическим расплавом, например чугуном, в который . помещен волокнистый материал. Изолирующая стенка ойирается 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, 8 нутри стенки проходит проточный канал, соединенный сточными каналами с желобами. Длина желобов больше, чем расстояние между цоколем и барьером, 5 з.п.флы,8 ил,9, расположескости симмесквозные отвщая стенка раполнена втокоотводя щими на основавиде керамиоснование калосы с системдольные. сточпоперечнымиентированнымным канавкамКаждая элв виде керамис торцов 20 ирасплавом 21до уровня 22,нных по обе стороны от плотрии 10 канала. Цоколи имеют ерстия 11. Другая изолируюсположена ниже первой и вывиде барьера 12 между ми стенкаь ч, установленнынии 13 канала, выполненном в ческой плиты. Барьер делит нала на две продольные поой 14 сточных канавок 15. Проные канавки 16, 17 соединены сточными канавками 18, ории под углом 45 к продольектродная секция выполнена ческого желоба 19, закрытого заполненного металлическим , например жидким чугуном, лежащего ниже краев бортовДлина 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 зазоры,сообщающиеся 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 рэсплавом 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 О, 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, Проточные5 каналы и сточные канавки снабжены облицовкой 38 из плотной керамики, Ячейки,расположенные против ребер, заделаны доуровня перегородок керамическими вставками. Свод включает два крыла 39, 40 смы 10 кающиеся через центральный брус 41, вкотором выполнены люки 42 с пробками 43.Наружная часть свода покрыта металлическими щитками 44.Сверхпроводящая магнитная системасодержит уплощенную обмотку 45, стороны46, 47 которой расположены под желобами,Обмотка образует магнитное поле, силовыелинии 48, 49 которого расходятся в изогнутом сечении канала с приближением их ори 20 ентации к горизонтальной вблизи желобов.В торцах желобов выполнены окна для слива шлака, конденсирующегося из потока.Верхний край желоба может быть выполненс уклоном 50 вдоль желоба, например, за25 счет изменения высоты борта, Линия скорейшего спуска полосы основания перпендикулярна ориентации желобов, Основание13 канала опирается на металлическую плиту 51.30 Наряду с общим для обеих полос 52 и53 уклоном вдоль канала, каждая полосаимеет уклон поперек канала к его периферии (см,фиг. 5), Полосы 52 и 53 расположенына сторонах двугранного угла, В этих усло 35 виях линия 54 скорейшего спуска полосы 52наклонена к плоскости 10 симметрии канала, что обеспечивает горизонтальное продольное расположение желобов (см,фиг. 1).При этом40 тда=зЬ Рту у,где а - угол поперечного уклона полосы,равный половине угла, дополняющего двугранный угол на 180 О;Р - угол продольного уклона канала,45 равный углу между ребром двугранного угла, образованного полосами, и горизонтальной плоскостью(близок к углу между линией54 скорейшего .спуска и горизонтальнойплоскостью);50 у- угол разворота желоба, равный углумежду линией 54 скорейшего спуска и плоскостью 10 симметрии (см.фиг. 5, 4; 8).Такая геометрия канала расширяетвозможности выбора режима его работы и,55 в частности, позволяет использовать составляющую потока для продвижения шлака вдоль желоба к сливному окну,Приемлема и более простая геометрия. когда линия скорейшего спуска параллельнаплоскости 10 симметрии. а желоба ориенти- барьера, Уплощенная сверхпроводящая оброваны перпендикулярно этой плоскости мотка 73 создает в искривленном сечении (а=О, у=О). канала магнитное поле с расходящимися си.Вместо сечения в форме полукругла ловыми линиями 74, 75, Могут быть приме(см.фиг. 1) канал МГД-генератора может 5 нены также дополнительные обмотки, иметь сечение в форме полуовала с линей- корректирующие магнитное поле в канале и ной областью 55, соединяющей сектора 56, расположенные под обмоткой 73 и над сво, в основании которых расположены токо- дом 76.отводящие стенки 59, 58,симметричные от- В ориентации желобов возможны вариносительно плоскости 60 (см.фиг. 6), При 10 энты. В частности, желоб 77 ориентирован размещении обмотки магнита под токоотво- под углом у к поперечной плоскости 78, кодящими стенками(как на фиг; 1) магнитное торая перпендикулярна плоскости 63 симполе в линейной области сечения более од- метрии, - в отличие от ориентации желобов нородно, чем в секторах. 79, 80 параллельно плоскости 78. Уклон осВ другом варианте канала МГД-генера нования канала со снижением в направлетора свод 61 установлен на цоколях 62, вы- нии потока плазмы (см,фиг. 4) облегчает полненных по обе стороны от плоскости 63 стекание металлического расплава по руслу симметрии канала(см.фиг. 7,8). Цоколи име и удаление шлака из системы 82 сточных ют сквозные отверстия между ребрами, канавок,Барьер 64 делит основание канала на две 20 В переносе тока через канал участвуют полосы, расходящиеся к выходу иэ канала плазма, шлак, металлический расплав и под углом у к плоскости 63 симметрии, В электрический. контакт, Скоба контакта моосновании канала выполнена система жет быть изготовлена как из металла, так и сточных канавок с продольными канавка- из электропроводной керамики, например, ми 65 и поперечными канавками. На поло карбида кремния. В остальном, все керамисах установлены электродные секции в ческие детали канала, в частности, желоба, виде желобов, заполненных металлическим выполнены из керамики с изолирующими расплавом 66, Междусмежными желобами, свойствами, что расширяет возможности а также между желобами и ребрами уста- выбораматериала, В канале, предназнановлены зазоры,сообщающиеся ссистемой,30 ченном для работы на угольном топливе с сточных канавок,кислым шлаком, целесообразно использоЗазоры фиксированы выступами, вы- вать изолирующую керамику на основе окполненными нажелобахи ребрах. Профили сида алюминия - в виде корунда либо желоба и ребра имеют вогнутость 67 с цен- бакора, включающего еще оксиды циркония тром 68 в наиболее низко расположенной 35 и кремния. Например, желоба, облицовка точке профиля. Центры вогнутостей жело- стоков, покрытие барьера могут быть выполбов и ребер находятся на линии, ориентиро- нены из литого корунда с огнеупорностью ванной вдоль полосы и проходящей над до 1800 С, а волокнистый материал для завыступами, перекрывающими зазоры. При полнения желобов - из волокон на основе этом вогнутости желобов и ребер образуют 40 оксида алюминия, сплавленного с оксидом русло для стекания металлического распла- циркония,ва вдоль полосы и распределения его по В канале, предназначенном для работы желобам в периоды заправки канала. на газовом топливе, целесообразна испольВнутри желоба между его бортами раз- зование керамики на основе оксида магния, мещен волокнистый керамический матери Металлические детали канала изготавливаал 69 сволокнами 70,ориентированнымипо юг из немагнитных матьиалов. В частно- высоте желоба, Волокнистый материал име- сти, щиты 44 и плиту 51 - из нержавеющей .ет разрыв в окрестности линии центров. стали, В качестве металлического расплава Между бортами желоба установлена также используют чугун с начальным содержаниполая перегородка, образующая жидкост ем углерода 2 - 5 мас, о с температурой плавный затвор. Под перегородкой расположе- ления 1100 С и выше, Конденсирующийся на граница раздела между металлическим из потока угольный шлак включает оксиды расплавом и отвержденной его частью, кремния, алюминия, железа, кальция и ряда примыкающей к скобе электрического кон- других (в порядке снижения их весовой дотакта. 55 ли). При использовании желобов из стабилиМеталлический расплав покрыт слоем зированных оксидов циркония либо гвфния 71 жидкостного шлака, пропитывающего допустим нагрев огневой поверхности до волокнистый материал 69. Концы ребер вхо С.дят в гнезда, выполненные в покрытии 72 В процессе сборки канала МГД-генератора, на основание 13 канала устанаалива 1831755ют 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 МГД-генератора 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 иэ шлака железо, на анодной стенке теряет растворенный углерод, Присутствие в чугуне углерода предотвращает окисление железа на анодной сенке. Однако и в условиях дефиците 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 и40 45 нала. Возможно также включение работыданного канала в цикл металлургического производства для предварительной обра- ботки расплавленной шихты, например, для удаления растворенных кислорода и50 углерода. Обновление состава металлического расплава происходит за счет смешения новой порции расплава с содержимым желоба и последующего вытеснения излишков расплава за борт или через окна,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 спе 5 10 15 20 25 30 35 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 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 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, воз- 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 камеру 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 электродной 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 заправкинезначительноНеобходимый для заправки канала металлический расплав может быть получен нагревом металлический шихты, например, чугунного лома, газами, выходящими из ка 1831755 105 10 20 25 30 35 40 50 циальный сборник за пределами канала,При необходимости. после введения добавок он может быть использован повторнодля 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 желоба100-1000 мм.Поток плазмы постепенно изнашиваетстенки канала, уменьшает высоту бортовжелоба, Однако желоб в качестве электродной секции остается работоспособным пристачивании его бортов - пока он можетудерживать непрерывный вдоль желобаслой металлического расплава. Конструкция канала не накладывают существенныхограничений на высоту бортов желоба. Увеличение высоты бортов увеличивает ресурсканала.Значительное содержание оксида алюминия в угольном шлаке,обычно выше 20 фвесовых, снижает скорость растворения ко рундовых бортов в шлаке, так как способствует связыванию оксидов железа собразованием герценита ЕеОА 20 з (плавится при 1780 С) и затем эвтектики герценитас вюститом РеО (плавится при 1330 С),Опасный для корунда тепловой удар исключен в данной конструкции канала благодаря снижению перепада температуры повысоте желоба - в его поперечном сечении.Зазоры и стоки дают нагретому потоку газаобтекать желоб не только сверху, но и снизуи с боков, Конвекция металлического расплава внутри желоба также выравниваеттемпературу по его сечению. Специальноеохлаждение дна желоба отсутствует, 8 этихусловиях тепловая деформация желоба выражается, в основном, с свободном удлинении г перемещением.его холодного конца вотверстии цоколя.По мере износа бортов желоба вогнутость 67 е центральной части токоотводящей стенки сохраняется, так как скоростьпотока здесь выше, чем в углах сечения канала. При этом воспроизводится и русло 81,Износ борта в области русла может бытьускорен, например, путем увеличения пористости керамики в этом месте борта, применением пористого выступа 83,Конструкция канала допускает различные способы его нагружения - фарадеевский, диагональный и холловский. Отводтока вдоль секции по слою жидкого металлак торцу желоба снижает требования к охлаждению секции, способствует повышению температуры приэлектродного слояплазмы, дела:т возможной замену секции без разрушения стенки, позволяет обой 1 ись без наружной системы жидкостного охлаждения по всей площади токоотводящей стенки, что упрощает конструкцию канала. Слой металлического расплава не препятствует тепловому удлинению керамики, что увеличивает термостой кость токоотводящей стенки канала.Зазоры между секциями разрывают 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 уве 15 личения высоты корундовых бортов,постоянно стачиваемых потоком. Периодическая заправка желоба дает возможность использовать в качестве токовывода жидкий чугун либо другой недефицитный расплав. Проточные полости в изолирующих стенках и русло вдоль токоотеодящеи стенки обеспечивают автоматическое растекание расплава по секциям, что упрощает обслуживание канала.Размещение в желобе волокнистого материала, пропитанного оседающим иэ потока шлаком, допускает изменение наклона огневой поверхности электродной секции над горизонтальной поверхностью металлического расплава. Расположение уплощенной обмотки магнита под каналом, соответствующее изогнутому сечению канала, упрощает монтаж канала, позволяет увеличить массу обмотки и создаваемое ею поле.Простота конструкция и значительный ресурс описанного канала МГД-генератора делают целесообразным применение его впромышленных установках, Формула изобретения 1. Канал МГД-генератора, включающий две токоотводящие стенки, составленные из ориентированных поперек канала электродных секций с электрическими контактами, соединенными с внешней цепью, и выходящими на огневую поверхность керамическими элементами, а также две изолирующие стенки, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что одна изолирующая стенка выполнена в форме свода, опирающегося на два цоколя со сквозными отверстиями, а другая расположена ниже первой и выполнена е виде барьера, разделяющего токоотводящие 55 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 выступами на боковых стенках, закрытого с торцов и за 1831755 12полненного металлическим расплавом, а злектрический контакт установлен На конце желоба, расположенного в цокольном отверстии.2. Канал поп,1, отличающийся 5 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 10 меньше его глубины, а длина желоба превосходит расстояние между цоколем и выступом.3. Канал по и, 1, от л и ч а ю щи й с я тем, что основание канала установлено под 15 углом к горизонтальной плоскости с наклонном в направлении потока плазмы в канале.4. Канал по и. 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что в желоб помещен волокнистый материал, смачиваемый металлическим рэсплавом и жидким шлаком,5. Канал по и, 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что стенки желобов выполнены так, чтобы на огневой поверхности вдоль канала образовалось вогнутое русло.6. Канал по и, 1, отл и ч а ю щи йс я тем; что в качестве металлического расплава использован жидкий чугун.1831755 ктор М. Петрова едактор каз 2554 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям 113035,Москва,Ж, Раущская наб,. 4/5 НТ ССС Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 СоставитеТехред М.М Я, Гохштейнргентал Ко