RU2028712C1

RU2028712C1 - Channel of mhd generator

Info

Publication number: RU2028712C1
Authority: RU
Inventors: Яков Петрович Гохштейн
Original assignee: Яков Петрович Гохштейн
Priority date: 1991-05-31
Filing date: 1991-05-31
Publication date: 1995-02-09

Abstract

FIELD: radio engineering. SUBSTANCE: channel of MHD generator in the form tube expanding towards outlet has frame 2, electrode sections 3, 4 and contacts fastened on it. Electrode sections are insulated with ceramic partitions in the form of concave plates 5, 6 which are mounted horizontally one above other resting against protrusion made in center of lower part of plate. Flow bed filled with liquid melt, for example carbon solution in liquid iron, is over periphery in gap between plates. Drain holes are drilled in peripheral regions of ceramic plates. Longitudinal axis of channel devices from vertical. EFFECT: enhanced operational efficiency. 6 cl, 9 dwg

Description

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для магнитогидродинамического преобразования энергии, выделяемой при сгорании топлива, в частности, угольного. The invention relates to energy and can be used for magnetohydrodynamic conversion of energy released during the combustion of fuel, in particular coal.

Известны каналы МГД-генератора, в которых для контакта с плазмой использованы электроды из платины [1]. The channels of the MHD generator are known in which platinum electrodes are used to contact the plasma [1].

Известен канал МГД-генератора в форме расширяющейся к выходу трубы, включающий каркас и закрепленные на нем электродные секции, разделенные изолирующими керамическими перегородками, ориентированными поперек канала, а также электрические контакты, соединенные с внешней электрической цепью. The channel of the MHD generator is known in the form of a pipe expanding towards the outlet, including a frame and electrode sections fixed to it, separated by insulating ceramic partitions oriented across the channel, as well as electrical contacts connected to an external electrical circuit.

В предлагаемом техническом решении канал МГД-генератора ориентирован вертикально, перегородки электродных секций выполнены в виде вложенных друг в друга вогнутых пластин, зазоры между которыми заполнены жидким чугуном, обновляемым в процессе работы канала. Такое выполнение канала снижает расход дефицитных материалов при его сооружении и использовании, увеличивает его ресурс. In the proposed technical solution, the channel of the MHD generator is oriented vertically, the partitions of the electrode sections are made in the form of concave plates embedded in each other, the gaps between which are filled with molten iron, updated during the operation of the channel. This implementation of the channel reduces the consumption of scarce materials during its construction and use, increases its resource.

На фиг. 1 изображен канал МГД-генератора, общий вид в разрезе; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4, 5 - варианты элементов канала; на фиг. 6 - узел I на фиг. 1; на фиг. 7, 8 - фрагменты разреза В-В на фиг. 6; на фиг. 9 - узел II на фиг. 2. In FIG. 1 shows the channel of the MHD generator, a General view in section; in FIG. 2 is a section AA in FIG. 1; in FIG. 3 - section BB in FIG. 1; in FIG. 4, 5 - options for channel elements; in FIG. 6 - node I in FIG. 1; in FIG. 7, 8 - fragments of section BB in FIG. 6; in FIG. 9 - node II in FIG. 2.

Канал МГД-генератора имеет форму трубы 1, расширяющейся к выходу под углом 2 α . На охлаждаемом каркасе 2 канала закреплены электродные секции 3, 4, разделенные изолирующими керамическими перегородками 5, 6, ориентированными поперек канала. The channel of the MHD generator has the shape of a pipe 1, expanding towards the exit at an angle of 2 α. On the cooled frame 2 of the channel fixed electrode section 3, 4, separated by insulating ceramic partitions 5, 6, oriented across the channel.

Труба направлена расширением вверх так, что продольная ось 7 симметрии канала, проходящая через центры поперечных сечений трубы, отклонена от вертикали 8 на острый угол β. Перегородки выполнены в виде вогнутых пластин 9, 10, 11, 12, установленных горизонтально одна над другой вогнутостью 13 вверх с образованием колонн 14, 15, опирающихся краями 16, 17 пластин на плиты 18, 19 керамической облицовки 20 каркаса. Каждая пластина имеет центральную цокольную часть с выступом 21 по одну сторону пластины и с гнездом 22 под выступ смежной пластины - по другую сторону, имеет вид тарелки. The pipe is directed upward expansion so that the longitudinal axis of symmetry 7 of the channel, passing through the centers of the cross sections of the pipe, is deviated from the vertical 8 by an acute angle β. The partitions are made in the form of concave plates 9, 10, 11, 12, mounted horizontally one above the other with a concavity 13 upward with the formation of columns 14, 15, supported by the edges 16, 17 of the plates on the plates 18, 19 of the ceramic cladding 20 of the frame. Each plate has a central base part with a protrusion 21 on one side of the plate and with a socket 22 under the protrusion of an adjacent plate on the other side, has the form of a plate.

По периферии смежные пластины разделены кольцевым зазором 23, образующим проточное русло 24, которое заполнено жидким металлическим расплавом 25 с мениском 26. Подъем мениска ограничен сливным отверстием 27, 28, 29, выполненным в периферийной области каждой пластины. При этом в каждой паре смежных пластин, 9-10, сливное отверстие 27 верхней пластины 9 расположено над сплошным участком 30 смежной нижней пластины 10, а сливное отверстие 28 нижней пластины 10 расположено под сплошным участком 31 смежной верхней пластины 9. Остающиеся над мениском части зазоров, свободные от металлического расплава, могут быть в процессе работы канала заполнены шлаком, конденсирующимся из потока плазмы. On the periphery, adjacent plates are separated by an annular gap 23, forming a flow channel 24, which is filled with liquid metal melt 25 with meniscus 26. The meniscus is limited by a drain hole 27, 28, 29 made in the peripheral region of each plate. Moreover, in each pair of adjacent plates, 9-10, the drain hole 27 of the upper plate 9 is located above the continuous section 30 of the adjacent lower plate 10, and the drain hole 28 of the lower plate 10 is located under the continuous section 31 of the adjacent upper plate 9. The remaining gaps above the meniscus free from metal melt can be filled during the operation of the channel with slag condensing from the plasma stream.

Обращенный в канал огневой участок 32 контура 33 пластины выполнен вогнутым в виде дуги окружности. Обращенный к каркасу тыльный участок 34 контура пластины выполнен выпуклым, входящим в вогнутое ложе 35 облицовки каркаса. Выступ пластины имеет полость 36, заполненную уплотнителем 37 из волокнистого керамического материала. Выступом образован барьер 38, направляющий циркуляцию металлического расплава в зазоре между пластинами. По периферии пластины выполнены точечные упоры 39, 40, поддерживающие этот зазор. The firing section 32 of the plate contour 33 facing the channel is made concave in the form of an arc of a circle. The back section 34 of the plate contour facing the carcass is made convex, entering the concave bed 35 of the carcass lining. The protrusion of the plate has a cavity 36 filled with a sealant 37 made of fibrous ceramic material. The protrusion formed a barrier 38, directing the circulation of the metal melt in the gap between the plates. On the periphery of the plate made point stops 39, 40, supporting this gap.

Канал снабжен профилированными полками 41 для установки колонн из пластин. Полка открыта слоем 42 уплотнителя для распределения нагрузки от колонны. На уровне полки в облицовке каркаса выполнено сливное отверстие 43. На концах 44, 45 пластин со стороны, противоположной отклонению оси 7 от вертикали, выполнены электрические контакты 46, 47, соединенные с внешней электрической цепью. Электрический контакт включает охлаждаемый металлический стержень 48, введенный в зазор между пластинами, и прилегающую к нему область 49 отвержденного расплава. Расположение конца 44 пластины за пределами огневого участка 32 и на пути охлажденного расплава делают достаточным воздушное охлаждение стержня 48. The channel is equipped with profiled shelves 41 for installing columns of plates. The shelf is opened by a layer 42 of sealant to distribute the load from the column. At the shelf level, a drain hole 43 is made in the carcass lining. At the ends 44, 45 of the plates, on the side opposite to the deviation of the axis 7 from the vertical, electric contacts 46, 47 are made, connected to an external electrical circuit. The electrical contact includes a cooled metal rod 48 inserted into the gap between the plates, and the adjacent solidified melt region 49. The location of the end 44 of the plate outside the firing portion 32 and in the path of the cooled melt makes air cooling of the rod 48 sufficient.

Каркас включает металлическую оболочку 50 с проточными полостями 51 для охлаждающей жидкости. Эта оболочка является общей для электродных секций и электрически изолирована от них плитами 18, 19. Изолирующие стенки 52, 53 канала дополнены четырьмя съемными угловыми блоками 54, 55, 56, 57, обеспечивающими доступ к электрическим контактам и сливным отверстиям. Поле, создаваемое магнитной системой (не показана), направлено перпендикулярно изолирующим стенкам 52, 53 в их центральной части. The frame includes a metal shell 50 with flow cavities 51 for coolant. This shell is common to the electrode sections and is electrically isolated from them by plates 18, 19. The insulating walls 52, 53 of the channel are supplemented by four removable corner blocks 54, 55, 56, 57, providing access to electrical contacts and drain holes. The field created by the magnetic system (not shown) is directed perpendicular to the insulating walls 52, 53 in their central part.

Пластины 58 могут быть выполнены с асимметрично расположенным выступом 59 и с удлиненной холодной частью 60, служащей для размещения контактной области 61, со сливным отверстием 62 на противоположном конце. The plates 58 can be made with an asymmetrically located protrusion 59 and with an elongated cold part 60, which serves to accommodate the contact area 61, with a drain hole 62 at the opposite end.

Пластины 63 могут быть выполнены кольцевыми с двумя выступами 64, 65, разделенными двумя промежутками 66, 67. В одном из промежутков расположено сливное отверстие 68, в другом - контактная область 69 (см. фиг. 5, стрелки указывают направление циркуляции расплава, как и на фиг. 2). Канал МГД-генератора с кольцевыми пластинами 63 функционируют как рамочный. The plates 63 can be made circular with two protrusions 64, 65 separated by two gaps 66, 67. A drain hole 68 is located in one of the gaps 68 and a contact region 69 is located in the other (see Fig. 5, arrows indicate the direction of the melt circulation, as well as in Fig. 2). The channel of the MHD generator with ring plates 63 function as a frame.

Каждая пластина может быть выполнена составной, в частности, из керамических секторов 70, 71, 72, 73, соединенных через уплотнительные волокнистые прослойки. Дно пластины, секционированной или цельной, может быть выстелено керамической тканью в один или несколько слоев для предотвращения утечки металлического расплава в случае поломки пластины при монтаже или во время работы канала. Керамическая ткань препятствует развитию трещины между частями пластины и создает возможность их повторного спекания в процессе работы. При необходимости замедлить циркуляцию металлического расплава волокнистый керамический материал может быть введен также и в зазоры 23. Между контактными стержнями 48 могут быть установлены изолирующие керамические прокладки 74. Each plate can be made integral, in particular, from ceramic sectors 70, 71, 72, 73, connected through sealing fibrous layers. The bottom of the plate, partitioned or solid, can be lined with ceramic fabric in one or more layers to prevent leakage of the molten metal in case of breakage of the plate during installation or during operation of the channel. Ceramic fabric prevents the development of cracks between the parts of the plate and creates the possibility of re-sintering during operation. If it is necessary to slow down the circulation of the metal melt, the fibrous ceramic material can also be introduced into the gaps 23. Insulating ceramic gaskets 74 can be installed between the contact rods 48.

В конструкции канала МГД-генератора использованы следующие материалы. Металлический расплав - жидкий чугун с любым начальным содержанием углерода, например, 5 мас.%. Контактный стержень 48 - из хромоникелевой стали либо карбида кремния. Оболочка 50 каркаса из меди, в случае водяного охлаждения, либо из хромоникелевой стали, допускающей отключение жидкостного охлаждения. Остальные детали канала выполнены из изолирующей керамики, например, на основе оксида магния при работе на газовом топливе, либо на основе оксида алюминия при работе на угольном топливе с кислым шлаком, содержащим более 20 мас.%. оксида алюминия. The following materials were used in the construction of the channel of the MHD generator. Metal melt - molten iron with any initial carbon content, for example, 5 wt.%. Contact pin 48 is made of chromium-nickel steel or silicon carbide. The shell 50 of the frame is made of copper, in the case of water cooling, or of chromium-nickel steel, allowing the shutdown of liquid cooling. The remaining parts of the channel are made of insulating ceramics, for example, based on magnesium oxide when working on gas fuel, or on the basis of aluminum oxide when working on coal fuel with acidic slag containing more than 20 wt.%. aluminum oxide.

Пластины могут быть изготовлены из оксида алюминия (корунд), сплава оксидов алюминия, циркония и кремния (бакор), сплава оксидов алюминия и циркония с огнеупорностью указанных материалов 1800^оС, а также из соединения оксидов циркония и кремния (циркон) с огнеупорностью 1600^оС. Из корунда и бакора пластина может быть отлита для снижения пористости и повышения стойкости к шлаку.The plates can be made of aluminum oxide (corundum), an alloy of aluminum, zirconium and silicon oxides (bacor), an alloy of aluminum and zirconium oxides with a refractoriness of these materials of 1800 ^о С, as well as a compound of zirconium and silicon oxides (zircon) with a refractoriness of 1600 ^о C. Corundum and bakor plate can be molded to reduce porosity and increase resistance to slag.

Ширина зазора 23 между пластинами 5 мм (1-10 мм), толщина пластины 9 над зазором 5 мм (3-20 мм), что эквивалентно шагу секционирования канала 10 мм (4-30 мм). Уменьшение ширины зазора способствует лучшему удержанию металлического расплава в пластинах за счет подключения к этому капиллярных сил, формующих мениск расплава. The width of the gap 23 between the plates is 5 mm (1-10 mm), the thickness of the plate 9 above the gap is 5 mm (3-20 mm), which is equivalent to the step of sectioning the channel 10 mm (4-30 mm). Reducing the width of the gap contributes to a better retention of the metal melt in the plates due to the connection of capillary forces forming the meniscus of the melt.

Для заправки канала металлическим расплавом его заливают на верхнюю пластину колонны через отверстие в угловом блоке 54 (не показано). Возможна автоматизация заливки. Переливаясь через край сливного отверстия 27, расплав стекает вниз и последовательно заполняет все пластины колонны. Излишек расплава выходит из канала через сливное отверстие 43 в том же блоке. При работе канала металлический расплав на пластинах периодически обновляют, заливая новые порции расплава раз в несколько часов. На время заливки - порядка нескольких минут - МГД-генератор отключают от нагрузки. To refuel the channel with molten metal, it is poured onto the top plate of the column through an opening in the corner block 54 (not shown). Automation of filling is possible. Overflowing over the edge of the drain hole 27, the melt flows down and fills all the columns of the column sequentially. Excess melt leaves the channel through the drain hole 43 in the same block. During operation of the channel, the metal melt on the plates is periodically updated, filling in new portions of the melt once every few hours. At the time of filling - of the order of several minutes - the MHD generator is disconnected from the load.

При сжигании угольного топлива шлак из потока плазмы оседает на стенках канала и попадает в зазоры 23, где образует слой над поверхностью металлического расплава, защищая ее от возникновения дуг. Распылению этого слоя шлака потоком плазмы препятствуют заслоняющие его края пластин. Слой шлака непрерывно обновляется. Его потери через края пластин и через сливное отверстие 43 компенсируются поступлением из потока. When burning coal fuel, slag from the plasma stream settles on the channel walls and enters into the gaps 23, where it forms a layer above the surface of the metal melt, protecting it from arcing. The spraying of this slag layer by a plasma stream is hindered by the plate edges covering it. The slag layer is continuously updated. Its losses through the edges of the plates and through the drain hole 43 are compensated by the flow.

Электрический ток, генерируемый потоком плазмы в магнитном поле, проходит через плазму, слой шлака, металлический расплав в зазоре 23, область 49 отвержденного расплава, стержень 48. Через границы шлака с плазмой и металлическим расплавом ток проходит благодаря окислительно-восстановительным реакциям с участием анионов кислорода, катионов металлов, переносящих ток через шлак, а также катионов углерода, растворенного в железе. The electric current generated by the plasma flow in a magnetic field passes through the plasma, the slag layer, the molten metal in the gap 23, the solidified melt region 49, the rod 48. The current passes through the boundaries of the slag with the plasma and the molten metal due to redox reactions involving oxygen anions , metal cations that carry current through slag, as well as carbon cations dissolved in iron.

Горизонтальная составляющая потока плазмы, обусловленная отклонением трубы от вертикали (на угол β), вызывает тангенциальное движение металлического расплава 25 и шлака вокруг барьера 38 (на огневом участке 32 это движение направлено в сторону отклонения трубы, см. фиг. 2). Благодаря вогнутости огневого участка 32 расплав описывает дугу. При этом на расплав действует центробежная сила, прижимающая его к барьеру и препятствующая выплескиванию в канал. Циркуляция расплава по периметру пластины усиливает теплоотвод от огневого участка 32, выравнивает температуру по ширине пластины, что увеличивает термостойкость пластины и канала в целом. Снижению температурных напряжений в пластине содействует также ее малая - относительно других размеров - толщина. Секционирование приэлектродного слоя плазмы краями пластин затрудняет образование дуг на металле при утончении либо отсутствии шлакового покрытия. The horizontal component of the plasma flow, due to the deviation of the pipe from the vertical (by angle β), causes the tangential movement of the metal melt 25 and slag around the barrier 38 (in the firing section 32 this movement is directed towards the pipe deflection, see Fig. 2). Due to the concavity of the firing portion 32, the melt describes an arc. At the same time, a centrifugal force acts on the melt, pressing it to the barrier and preventing it from splashing out into the channel. The circulation of the melt along the perimeter of the plate enhances heat removal from the firing portion 32, aligns the temperature along the width of the plate, which increases the heat resistance of the plate and the channel as a whole. Reducing temperature stresses in the plate also contributes to its small - relative to other sizes - thickness. Sectioning of the near-electrode plasma layer by the edges of the plates makes it difficult to form arcs on the metal with thinning or the absence of slag coating.

Наклон трубы при горизонтально расположенных пластинах обусловливает их поворот на угол β относительно поперечного сечения, перпендикулярного оси 7 (см. фиг. 3). При малом β = 1-5^о это различие в ориентации находится в пределах шага секции и не искажает существенно распределения тока в канале по сравнению со случаем β= 0. Для канала рамочного типа с кольцевыми пластинами (см. фиг. 5) угол β представляет собой угол наклона рамок.The slope of the pipe with horizontally located plates determines their rotation by an angle β relative to the cross section perpendicular to axis 7 (see Fig. 3). For small β = 1-5 ° ^, this difference in orientation is within the step of the section and does not significantly distort the current distribution in the channel compared with the case β = 0. For a channel of a frame type with ring plates (see Fig. 5), the angle β represents The angle of inclination of the frames.

Вогнутости огневых участков пластин каждой колонны 14, 15 образуют наклонное русло под углом α к вертикали за счет расширения трубы кверху. При сбросе металлического расплава через край верхней пластины он стекает по этому руслу, попадая в зазоры между пластинами колонны. Это дает дополнительную возможность заправки канала. Стекание расплава тормозится потоком плазмы, скорость которого на время заправки снижают. При этом для ограничения уровня металлического расплава в пластине отверстия 27, 28 могут быть заменены аналогичными, расположенными на огневом участке пластин. The concavity of the firing sections of the plates of each column 14, 15 form an inclined channel at an angle α to the vertical due to the expansion of the pipe up. When the metal melt is discharged through the edge of the upper plate, it flows down this channel, falling into the gaps between the columns of the column. This gives an additional opportunity to refuel the channel. The melt runoff is inhibited by the plasma flow, the speed of which is reduced during refueling. Moreover, to limit the level of the metal melt in the plate, the openings 27, 28 can be replaced by similar ones located on the firing section of the plates.

В потоке плазмы края пластины постепенно изнашиваются и приближаются к мениску металлического расплава. Расстояния от края пластины до мениска и до барьера 38 могут быть выбраны с достаточным запасом, что служит резервом увеличения ресурса. In the plasma stream, the plate edges gradually wear out and approach the meniscus of the metal melt. The distances from the edge of the plate to the meniscus and to the barrier 38 can be selected with a sufficient margin, which serves as a reserve for increasing the resource.

Заполнение зазоров между изолирующими пластинами металлическим расплавом вместо твердого проводника позволяет повысить температуру пограничного слоя плазмы, упрощает конструкцию и монтаж канала. Отсутствие внутренних напряжений в слое жидкого металла при его нагреве благоприятно для соприкасающихся с ним керамических деталей. Стойкость этого слоя к разрушению даже при случайном возникновении дуг и возможность многократного обновления являются дополнительными факторами, увеличивающими срок службы канала. Использование доступного материала, например, чугунного лома, расплавляемого отработанными газами, снижает стоимость эксплуатации канала, дает возможность включить канал в цикл металлургического производства. Кроме того, канал работоспособен при использовании ядерного топлива и в условиях невесомости, благодаря удержанию расплава центробежной силой. Filling the gaps between the insulating plates with a metal melt instead of a solid conductor can increase the temperature of the plasma boundary layer, simplifies the design and installation of the channel. The absence of internal stresses in the liquid metal layer during its heating is favorable for ceramic parts in contact with it. The resistance of this layer to destruction even with the accidental occurrence of arcs and the possibility of multiple updates are additional factors that increase the service life of the channel. The use of available material, for example, pig iron scrap, melted by exhaust gases, reduces the cost of operating the channel, makes it possible to include the channel in the metallurgical production cycle. In addition, the channel is operational when using nuclear fuel and in zero gravity due to the retention of the melt by centrifugal force.

Claims

1. CHANNEL OF THE MHD GENERATOR in the form of a pipe expanding towards the outlet, including a frame and electrode sections fixed to it, separated by insulating ceramic partitions oriented across the channel, as well as electrical contacts connected to an external electrical circuit, characterized in that the pipe is directed upwardly , the partition walls of the electrode sections are made in the form of concave plates, with protrusions in the Central part of the lower side of the plate, while the plate is installed horizontally one above the other with the formation a gap in the peripheral region of the plate, which is filled with liquid melt, and the edges of the plates are fixed to the ceramic lining of the frame.

2. The channel according to claim 1, characterized in that in the area facing the channel, the contour of the plate is made concave, and in the area facing the frame is convex, and the plate is placed in the concave bed of the frame lining.

3. The channel according to claim 1, characterized in that a drain hole is made in the peripheral region of each plate over a continuous portion of an adjacent plate.

4. The channel according to claim 1, characterized in that its longitudinal axis of symmetry is deviated from the vertical.

5. The channel according to claim 1, characterized in that a solution of carbon in liquid iron is used as a metal melt.

6. The channel according to claim 5, characterized in that molten iron is used as a solution of carbon in liquid iron.