RU2018202C1

RU2018202C1 - Mhd generator channel

Info

Publication number: RU2018202C1
Authority: RU
Inventors: Яков Петрович Гохштейн
Original assignee: Яков Петрович Гохштейн
Priority date: 1991-05-31
Filing date: 1991-05-31
Publication date: 1994-08-15

Abstract

FIELD: electrical machines. SUBSTANCE: MHD generator channel has two insulating walls 36, 37 and two current-transfer walls 10, 11 built up of electrically isolated and crosswise positioned ceramic troughs 12, 15 filled with metal melt, such as liquid cast iron. Troughs forming top and bottom current-transfer walls pass to fire surface by bottom walls and top ends of side walls, respectively. Troughs are positioned horizontally; their maximum filling with melt changes gradually along channel towards increase or decrease according to channel geometry. Communicating holes are provided in top part of side walls of troughs to form manifold for filling troughs with melt. Trough end carries cooled contact formed by metal rod 38 with solidified melt layer 41 connected to external electric circuit. EFFECT: improved design. 5 cl, 11 dwg

Description

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для магнитогидродинамического преобразования тепловой энергии в установках открытого и закрытого циклов. The invention relates to energy and can be used for magnetohydrodynamic conversion of thermal energy in installations of open and closed cycles.

Известны каналы МГД-генератора с электродами, включающими платину, твердую либо расплавленную без возможности обновления этих электродов в процессе работы генератора [1]. Known channels of the MHD generator with electrodes, including platinum, solid or molten without the possibility of updating these electrodes in the process of operation of the generator [1].

Известен канал МГД-генератора, включающий две токоотводящие стенки из ориентированных поперек канала электродных секций с керамическими элементами и две изолирующие стенки [2]. Ресурс известного канала ограничен термостойкостью твердых электронных проводников, отводящих ток от огневой поверхности непосредственно либо через слой оксидной керамики с ионной проводимостью. The channel of the MHD generator is known, including two current collecting walls from electrode sections with ceramic elements oriented across the channel and two insulating walls [2]. The resource of the known channel is limited by the heat resistance of solid electronic conductors that divert current from the firing surface directly or through a layer of oxide ceramic with ionic conductivity.

Описываемый канал МГД-генератора отличается от известных тем, что токоотводящая стенка выполнена в виде ряда закрытых с торцов желобов, заполненных металлическим расплавом и расположенных горизонтально с монотонным вдоль канала изменением уровня заполнения расплавом, причем желобов больше расстояния между изолирующими стенками, а на одном из торцов каждого желоба установлен электрический контакт, подключенный к внешней электрической цепи. Огневая поверхность верхней токоотводящей стенки канала образована нижними стенками желобов. На огневую поверхность нижней огневой стенки канала выходят верхние торцы боковых стенок желобов. Между желобами расположен наклонный сток. В качестве металлического расплава использован жидкий чугун. При таком выполнении канала МГД-генератора его токоотводящие стенки имеют вид многоступенчатого колодезного перепада, аналогичного водостоку, но заполненного жидким чугуном. При работе канала перепад уровней обеспечивает электрическую изоляцию между секциями, а при заправке канала - автоматическое распределение по секциям жидкого чугуна. Становится возможным обновление электродов в процессе работы МГД-генератора без остановки и охлаждения канала, что увеличивает ресурс канала. Замена дефицитных высокотемпературных проводников жидким чугуном снижает расходы на сооружение канала и его обслуживание. Конструкция описываемого канала, в частности расположенные между желобами стоки для удаления шлака, позволяет использовать наряду с другими видами топлив также и угольное, что расширяет функциональные возможности канала. Кроме того, в процессе работы МГД-генератора каждый из желобов может быть использован в качестве ванны для электролиза ионного расплава, например шлака, током, индуцируемым в канале. Это позволяет объединить преобразование энергии с металлургическим процессом - катодным выделением металлов или сплавов, анодным извлечением примесей из металла, в частности углерода из чугуна с получением стали. The described channel of the MHD generator differs from the known ones in that the downstream wall is made in the form of a series of gutters closed from the ends, filled with a metal melt and arranged horizontally with a monotonic change in the level of filling of the melt along the channel, the gutters being greater than the distance between the insulating walls, and at one of the ends Each gutter has an electrical contact connected to an external electrical circuit. The firing surface of the upper current-conducting wall of the channel is formed by the lower walls of the gutters. On the firing surface of the lower firing wall of the channel, the upper ends of the side walls of the gutters go. Between the gutters is an inclined drain. Liquid metal is used as a molten metal. With this embodiment of the channel of the MHD generator, its downstream walls have the form of a multi-stage well drop, similar to a drain, but filled with molten iron. When the channel is operating, the level difference provides electrical isolation between the sections, and when filling the channel, it automatically distributes liquid iron over the sections. It becomes possible to update the electrodes during the operation of the MHD generator without stopping and cooling the channel, which increases the channel resource. Replacing scarce high-temperature conductors with molten iron reduces the cost of constructing the channel and its maintenance. The design of the described channel, in particular, the drains located between the trenches for removing slag, allows using coal along with other types of fuel, which extends the functionality of the channel. In addition, during the operation of the MHD generator, each of the trenches can be used as a bath for the electrolysis of an ionic melt, for example, slag, by the current induced in the channel. This allows you to combine energy conversion with the metallurgical process - the cathodic separation of metals or alloys, the anode extraction of impurities from the metal, in particular carbon from cast iron to produce steel.

На фиг. 1 представлен канал МГД-генератора, общий вид фиг. 2 - разрез по А-А на фиг. 1; фиг. 3 - разрез по Б-Б на фиг. 2; фиг. 4, 5, 6, 7 - варианты выполнения канала; фиг. 8 - разрез по В-В на фиг. 7; фиг. 9 - разрез Г-Г на фиг. 7; фиг. 10 - разрез по В-В на фиг. 9; фиг. 11 - вариант выполнения стенки канала. In FIG. 1 shows the channel of the MHD generator; a general view of FIG. 2 is a section along AA in FIG. 1; FIG. 3 is a section along BB in FIG. 2; FIG. 4, 5, 6, 7 - embodiments of the channel; FIG. 8 is a section along BB in FIG. 7; FIG. 9 is a section GG in FIG. 7; FIG. 10 is a section along BB in FIG. 9; FIG. 11 is an embodiment of a channel wall.

Канал МГД-генератора включает выходящие на огневую поверхность 1 токоотводящие стенки 2, 3 из электрически изолированных, ориентированных поперек канала секций 4, 5, 6, 7 с керамическими элементами 8, 9. Токоотводящие стенки выполнены в виде рядов 10, 11, составленных из параллельных керамических желобов 12, 13, 14, 15, заполненных жидким чугуном 16, 17. Желоба закрыты с торцов 18, 19 и расположены горизонтально с перепадом уровней 20, 21, 22, 23 их предельного заполнения. Перепад выполнен монотонным вдоль канала, т.е. в последовательности желобов одного ряда уровни только повышаются либо только понижаются. Например, в ряду 11 уровни предельного заполнения желобов понижаются в сторону движения плазмы. Желоба состыкованы боковыми стенками 24, 25, 26, 27, выполняющими роль бортов, и сообщаются через отверстия 28, 29, 30 в верхней части желоба, которые в совокупности образуют коллектор 31, идущий вдоль канала. Желоба 12, 13 образуют верхнюю токоотводящую стенку 2 канала и выходят на огневую поверхность нижней стенкой 32, 33, являющейся дном желоба. Они используются преимущественно в качестве анода по отношению к плазме. Уклон верхней токоотводящей стенки канала противоположен направлению потока плазмы. Желоба 14, 15 образуют нижнюю токоотводящую стенку 3 канала и выходят на огневую поверхность верхними торцами их боковых стенок 26, 27, а также мениском 34, 35 жидкого чугуна. Уклон нижней токоотводящей стенки канала направлен в ту же сторону, что и поток плазмы. The channel of the MHD generator includes current-conducting walls 2, 3 extending onto the firing surface 1, of sections 4, 5, 6, 7 electrically isolated and oriented across the channel with ceramic elements 8, 9. The current-carrying walls are made in the form of rows 10, 11, composed of parallel ceramic gutters 12, 13, 14, 15, filled with molten iron 16, 17. The gutters are closed from the ends 18, 19 and are located horizontally with a difference in levels 20, 21, 22, 23 of their maximum filling. The difference is made monotonous along the channel, i.e. in the sequence of gutters of one row, the levels only increase or only decrease. For example, in row 11, the levels of maximum filling of the gutters decrease in the direction of plasma motion. The gutters are joined by the side walls 24, 25, 26, 27, acting as sides, and communicate through the openings 28, 29, 30 in the upper part of the gutter, which together form a collector 31 along the channel. The grooves 12, 13 form the upper current collecting wall 2 of the channel and exit onto the fire surface with the lower wall 32, 33, which is the bottom of the groove. They are used primarily as an anode with respect to plasma. The slope of the upper current-conducting wall of the channel is opposite to the direction of the plasma flow. The grooves 14, 15 form the lower current-collecting wall 3 of the channel and exit onto the firing surface with the upper ends of their side walls 26, 27, as well as the meniscus 34, 35 of molten iron. The slope of the lower current-conducting wall of the channel is directed in the same direction as the plasma flow.

Длина желоба с, измеренная как расстояние между торцами, больше расстояния b между изолирующими стенками 36, 37 канала в сечении, проходящем через желоб (фиг. 2). Желоб с металлическим расплавом подключен к внешней электрической цепи через охлаждаемый контакт 38, 39, расположенный на одном из торцов каждого желоба. Контакт содержит металлический стержень 40 и осажденный на стержне слой 41 отвержденного расплава. Желоб может быть выполнен с продольным сепаратором 42, который отделен зазорами 43, 44 от торцов желоба. За изолирующей стенкой 36 канала расположена обмотка 46 магнита. Нижние стенки 46, 47 желоба могут отличаться от боковых стенок 48, 49 желоба составом керамики. The length of the groove c, measured as the distance between the ends, is greater than the distance b between the insulating walls 36, 37 of the channel in the section passing through the groove (Fig. 2). The metal molten gutter is connected to an external electrical circuit through a cooled contact 38, 39 located at one of the ends of each gutter. The contact comprises a metal rod 40 and a solidified melt layer 41 deposited on the rod. The gutter can be made with a longitudinal separator 42, which is separated by gaps 43, 44 from the ends of the gutter. Behind the insulating wall 36 of the channel is a magnet winding 46. The lower walls 46, 47 of the gutter may differ from the side walls 48, 49 of the gutter with a ceramic composition.

В другом варианте канала МГД-генератора (фиг, 4) боковые стенки 50, 51, 52, 53 желобов могут быть выполнены из изолирующей керамики, а нижние стенки 54, 55 - из керамики с достаточной электропроводностью, что позволяет обойтись без изолирующих перегородок между желобами. Мениск 56 расплава может быть отделен от потока плазмы пористыми керамическими пробками 57. Токоотводящие стенки 58 и 59 параллельны и имеют уклон за счет наклона канала в целом под углом β, образованным осью 60 канала и линий 61 горизонта. Изоляция между желобами может быть усилена заменой элементов 9 из изолирующей керамики зазорами. In another embodiment of the channel of the MHD generator (FIG. 4), the side walls 50, 51, 52, 53 of the troughs can be made of insulating ceramics, and the lower walls 54, 55 of ceramic with sufficient electrical conductivity, which eliminates the need for insulating partitions between the troughs . The meniscus 56 of the melt can be separated from the plasma stream by porous ceramic plugs 57. The downstream walls 58 and 59 are parallel and have a slope due to the inclination of the channel as a whole at an angle β formed by the channel axis 60 and horizon lines 61. The insulation between the gutters can be enhanced by replacing the insulating ceramic elements 9 with gaps.

Канал МГД-генератора может быть выполнен сдвоенным (фиг. 5) из двух каналов 62, 63, расположенных по обе стороны от обмотки 64 магнита симметрично относительно плоскости 65. Изолирующие стенки 66, 67 выполнены выгнутыми наружу, что позволяет частично компенсировать неоднородность магнитного поля, создаваемого обмоткой 64. Верхние желоба 68, 69 воспринимают ток дном, нижние желоба 70, 71 открыты для плазмы. Через изолирующие керамические прокладки 72, 73 нижние желоба опираются на металлическую плиту 74. Верхние желоба покрыты металлическим экраном 75 с изолирующими пластинами 76, 77. При расположении токоотводящих стенок с уклоном (фиг. 1) металлический расплав 78, достигающий предельного уровня 79, имеет возможность перетекать в смежный, ниже расположенный желоб через окно 80. Для отвода тока служат охлаждаемые металлические пластины 81, покрытые отвержденным слоем 82 металлического расплава. Концы желобов, используемые для отвода тока, закреплены с помощью брусков 83, 84. The channel of the MHD generator can be made double (Fig. 5) of two channels 62, 63 located on both sides of the magnet winding 64 symmetrically with respect to the plane 65. The insulating walls 66, 67 are made curved outward, which partially compensates for the inhomogeneity of the magnetic field, created by the winding 64. The upper grooves 68, 69 perceive current with the bottom, the lower grooves 70, 71 are open to the plasma. Through the insulating ceramic gaskets 72, 73, the lower grooves are supported on a metal plate 74. The upper grooves are covered with a metal screen 75 with insulating plates 76, 77. With the arrangement of the downstream walls with a slope (Fig. 1), the metal melt 78, reaching the limit level 79, has the possibility flow into an adjacent, lower located trough through the window 80. To drain the current, cooled metal plates 81 coated with a cured layer 82 of metal melt are used. The ends of the gutters used to drain the current are secured with bars 83, 84.

Возможен вариант канала МГД-генератора, в котором обе электродные токоотводящие стенки 85, 86 противоположных полярностей расположены на дне 87 канала (фиг. 6). Стенки собраны из желобов 88, 89, выполненных из изолирующей керамики. Желоба обеих стенок обращены в канал мениском 90 металлического расплава 91. Смежные желоба сообщаются через окна 92 в их бортах 93. Служащие контактами охлаждаемые металлические стержни 94 со слоем 95 отвержденного расплава закрыты съемными керамическими брусками 96. Желоба установлены на металлической плите 97 с изолирующим керамическим покрытием. Под плитой размещена обмотка 98 магнита. Изолирующие стенки канала выполнены в форме сводов - внутреннего 99 и внешнего 100. Внешний свод покрыт металлическим панцырем 101. A variant of the channel of the MHD generator is possible, in which both electrode current-collecting walls 85, 86 of opposite polarities are located on the bottom 87 of the channel (Fig. 6). The walls are assembled from gutters 88, 89 made of insulating ceramics. The gutters of both walls face the meniscus channel 90 of the metal melt 91. Adjacent gutters communicate through the windows 92 on their sides 93. The cooled metal rods 94 with the cured melt layer 95 serving as contacts are covered by removable ceramic bars 96. The gutters are mounted on a metal plate 97 with an insulating ceramic coating . Under the plate there is a magnet winding 98. The insulating walls of the channel are made in the form of arches - internal 99 and external 100. The external arch is covered with metal armor 101.

Для работы на угольном топливе может быть использован вариант канала МГД-генератора, в котором межсекционный изолятор 102 выполнен с наклонным стоком 103 для отвода шлака, расположенным между желобом (фиг. 7-10). Дно 104 стока имеет уклон 105 к горизонтали 106. В направлении уклона сток доходит до края 107 огневой поверхности 108, заключенной между изолирующими стенками 109, 110 канала (фиг. 7; контуры стенок показаны штрих-пунктирными линиями). Глубина стока превосходит его ширину. Выход 111 стока расположен над шлакосборником 112 в виде наклонного желоба, ориентированного вдоль канала. Желоба 113, 114 смежных электродных секций установлены на основании 115 и заполнены металлическим расплавом 116. Межсекционный изолятор имеет вид профилированной керамической плиты 117, расположенной между желобами 113 и 114. В плите выполнен проточный паз 118, соединяющий окна 119, 120 в боковых стенках 121, 122 смежных желобов. Окна, проточный паз, стержень 123 электрического контакта и прилегающий к нему слой отвержденного металлического расплава вынесены за пределы огневой поверхности 108. Поворот канала до уклона 125 в продольном направлении (фиг. 10) обеспечивает разность уровней 126, 127 металлического расплава в смежных желобах. Боковые cтенки 128 желоба могут быть выполнены в виде металлических ребер 129 с керамическим покрытием 130. Ребра соединены с металлическими трубами 131 для охлаждающей жидкости. Дном желоба служит керамический брус 132, зажатый между боковыми стенками (фиг. 11). To work on coal fuel, a variant of the channel of the MHD generator can be used, in which the intersection insulator 102 is made with an inclined drain 103 for removing slag located between the trench (Fig. 7-10). The drain bottom 104 has a slope 105 to the horizontal 106. In the slope direction, the drain reaches the edge 107 of the firing surface 108 enclosed between the insulating walls 109, 110 of the channel (Fig. 7; the contours of the walls are shown by dashed lines). The depth of the drain exceeds its width. The outlet 111 of the drain is located above the slag pan 112 in the form of an inclined trough oriented along the channel. The grooves 113, 114 of adjacent electrode sections are mounted on the base 115 and filled with metal melt 116. The intersection insulator has the form of a profiled ceramic plate 117 located between the grooves 113 and 114. A flow groove 118 is made in the plate, connecting the windows 119, 120 in the side walls 121, 122 adjacent gutters. Windows, a flow groove, an electric contact rod 123, and an adjacent cured metal melt layer are extended beyond the firing surface 108. Turning the channel to a slope 125 in the longitudinal direction (Fig. 10) provides a difference in the levels of 126, 127 of the metal melt in adjacent grooves. The side walls 128 of the trough can be made in the form of metal ribs 129 with a ceramic coating 130. The ribs are connected to metal pipes 131 for coolant. The bottom of the gutter is a ceramic beam 132, sandwiched between the side walls (Fig. 11).

Для работы канала на газовом топливе желоба верхней токоотводящей стенки 2 могут быть изготовлены из стабилизированного диоксида циркония, желоба нижней токоотводящей стенки 3 - из стабилизированного диоксида циркония либо оксида магния, изолирующие элементы 9 - из оксида магния (фиг. 1). Для работы на угольном топливе, а также в инертной атмосфере закрытого цикла желоба могут быть изготовлены из оксида алюминия, сплавов его с оксидами циркония и кремния, нитридов алюминия и кремния (фиг. 6, 7). To operate the channel on gas fuel, the troughs of the upper current-removing wall 2 can be made of stabilized zirconium dioxide, the troughs of the lower current-removing wall 3 can be made of stabilized zirconia or magnesium oxide, the insulating elements 9 are made of magnesium oxide (Fig. 1). To work on coal fuel, as well as in an inert atmosphere in a closed cycle, the gutters can be made of aluminum oxide, its alloys with zirconium and silicon oxides, aluminum and silicon nitrides (Fig. 6, 7).

При выборе металлического расплава существенны температуры плавления и кипения. Снижение первой упрощает заправку канала путем заливки расплава извне. Повышение второй позволяет повысить температуру огневой поверхности и эффективность преобразования энергии. При этом, чем больше разность между температурами кипения и огневой поверхности, тем меньше унос расплава за счет его испарения. В сочетании с керамикой огнеупорности 1800-2500^оМ могут быть использованы металлы (в скобках температуры плавления и кипения, ^оС): железо 1528, 2735, никель 1452, 2840, титан 1690, 3260, медь 1083, 2350, марганец 1247, 2030, лантан 920, 3370, алюминий 660, 2270. Указанные металлы, кроме алюминия, тяжелее угольного шлака. Применению некоторых металлов в канале МГД-генератора препятствует их возгонка задолго до кипения, как, например, у олова 232, 2687.When choosing a metal melt, melting and boiling points are significant. Reducing the first simplifies the filling of the channel by pouring the melt from the outside. Raising the second allows you to increase the temperature of the firing surface and the efficiency of energy conversion. Moreover, the larger the difference between the boiling points and the firing surface, the less the ablation of the melt due to its evaporation. In combination with refractory ceramics 1800-2500 ^о М, metals (in brackets of melting and boiling points, ^о С) can be used: iron 1528, 2735, nickel 1452, 2840, titanium 1690, 3260, copper 1083, 2350, manganese 1247, 2030 , lanthanum 920, 3370, aluminum 660, 2270. These metals, except aluminum, are heavier than coal slag. The use of certain metals in the channel of the MHD generator is hindered by their sublimation long before boiling, as, for example, in tin 232, 2687.

Без ущерба для температуры кипения температура плавления металлов может быть снижена образованием их сплавов. Наиболее подходят чугун с содержанием углерода до 5% весовых и минимальной температурой плавления 1100^оС, сплав титана с никелем (эвтектика при 28% весовых никеля, 955^оС), сплав титана с железом (эвтектика при 32% весовых железа, 1085^оС). В процессе работы канала состав расплава может изменяться с повышением температуры плавления, которая остается ниже температуры огневой поверхности. Периодическая дозаправка канала расплавом обеспечивает сохранение состава расплава в необходимых границах.Without prejudice to the boiling point, the melting point of metals can be reduced by the formation of their alloys. The most suitable iron with a carbon content of up to 5% by weight and a minimum melting point ¹¹⁰⁰ C, the titanium-nickel alloy (eutectic at 28% by weight of nickel, 955 ° ^C), titanium-iron alloy (eutectic at 32% by weight of iron, 1085 ^C. ) During the operation of the channel, the composition of the melt can change with increasing melting temperature, which remains below the temperature of the firing surface. Periodic refueling of the channel with the melt ensures the preservation of the composition of the melt at the required boundaries.

Стержень 40 охлаждаемого контакта 39 может быть изготовлен их хромоникелевой стали било карбида кремния, который защищен от растворения в жидком чугуне отвержденным слоем 41 металла. Такой же стержень из электропроводной керамики на основе оксида индия работоспособен непосредственно в жидком чугуне до 1500^оС.The rod 40 of the cooled contact 39 can be made of their nickel-chromium steel beat silicon carbide, which is protected from dissolution in liquid iron by a cured metal layer 41. The same rod of conductive ceramic based on indium oxide is directly operable in liquid cast iron up to 1500 ^° C.

Заправку канала производят после его разогрева. Заливают металлический расплав в верхний желоб ряда 10, 11. Через отверстие 28 по коллектору 31 расплав стекает вниз, последовательно заполняя нижележащие желоба ряда. Возможно перетекание расплава из верхнего ряда 10 в нижний ряд 11 (фиг. 1), например, через трубопровод в изолирующей стенке. После заполнения обоих рядов возможен слив избыточного расплава в канал либо за его пределы. Уклон стенок 2, 3, не дает расплаву задержаться в промежутках между желобами. Это обеспечивает электрическую изоляцию желобов друг от друга в стационарном режиме работы канала. Дозаправку канала производят раз в несколько часов. На время дозаправки - порядка минуты - канал отключают от нагрузки ввиду замыкания желобов металлическим расплавом, стекающим по коллектору. Подачу ионизирующейся присадки на это время прекращают. The channel is refilled after it is heated. The metal melt is poured into the upper groove of the row 10, 11. Through the hole 28 along the collector 31, the melt flows downward, sequentially filling the underlying grooves of the row. It is possible for the melt to flow from the upper row 10 to the lower row 11 (Fig. 1), for example, through a pipeline in an insulating wall. After filling both rows, it is possible to drain excess melt into the channel or beyond. The slope of the walls 2, 3, does not allow the melt to linger in the gaps between the gutters. This provides electrical isolation of the gutters from each other in a stationary mode of operation of the channel. Refueling the channel is performed every few hours. At the time of refueling - of the order of a minute - the channel is disconnected from the load due to the closure of the gutters with a metal melt flowing down the collector. The supply of ionizing additives is stopped at this time.

При работе МГД-генератора электрический ток проходит через контакт 38, металлический расплав 16, нижнюю стенку 32 желоба 12, плазму, мениск 34 металлического расплава в желобе 15, контакт 39, внешнюю цепь с нагрузкой. Желоба 12 и 15 с расплавом образуют соответственно анод и катод МГД-генератора. При использовании угольного топлива шлак попадет в поток плазмы и конденсируется на нижней поверхности верхнего желоба 12 и на поверхности мениска 34 металлического расплава в нижнем желобе 15. В этих условиях часть пути ток проходит через жидкий шлак. Контакты, металлический расплав и плазма имеют в основном электронную проводимость. Незначительный вклад в электропроводность дают также катионы присадки в плазме и катионы углерода в чугуне. During the operation of the MHD generator, an electric current passes through contact 38, the metal melt 16, the bottom wall 32 of the trough 12, the plasma, the meniscus 34 of the metal melt in the trough 15, contact 39, an external circuit with a load. Gutters 12 and 15 with the melt form respectively the anode and cathode of the MHD generator. When using coal fuel, the slag enters the plasma stream and condenses on the lower surface of the upper trough 12 and on the surface of the meniscus 34 of the metal melt in the lower trough 15. Under these conditions, the current passes through the liquid slag part of the path. Contacts, metal melt and plasma have mainly electronic conductivity. An insignificant contribution to electrical conductivity is also made by plasma cations of additives and carbon cations in cast iron.

Верхний желоб 12 является МГД-анодом. Через его нижнюю стенку 32, выполненную из диоксида циркония, ток переносят анионы кислорода, мигрирующие в электрическом поле от плазмы к жидкому чугуну. Достигнув границы раздела между керамикой и чугуном, анионы разряжаются, взаимодействуя с углеродом чугуна. Образующаяся окись углерода подымается в виде пузырьков к поверхности расплава и удаляется для дальнейшего окисления до двуокиси углерода, например, путем введения ее в продукты сгорания. The upper trough 12 is the MHD anode. Through its bottom wall 32, made of zirconium dioxide, oxygen anions, migrating in an electric field from plasma to molten iron, carry current. Having reached the interface between ceramics and cast iron, the anions are discharged, interacting with the carbon of cast iron. The resulting carbon monoxide rises in the form of bubbles to the surface of the melt and is removed for further oxidation to carbon dioxide, for example, by introducing it into the combustion products.

В данном процессе разряда анионов кислорода на границе керамики с чугуном отсутствуют потери железа на его анодное растворение, так как переход образующихся при этом катионов железа в керамику из диоксида циркония исключен - в противоположность границе жидкого чугуна с жидким шлаком, на которой при разряде анионов кислорода, поступающих из шлака, наряду с основным процессом окисления углерода идет побочный процесс анодного растворения железа, лимитированный концентрационной поляризацией и потребляющий незначительную долю общего тока (менее 10%). Теряя углерод, чугун превращается в сталь. In this process of discharging oxygen anions at the boundary of the ceramic with cast iron, there is no loss of iron due to its anodic dissolution, since the transition of the formed iron cations into ceramics from zirconia is excluded - in contrast to the interface between liquid cast iron and liquid slag, on which, when discharging oxygen anions, coming from slag, along with the main process of carbon oxidation, there is a side process of anodic dissolution of iron, limited by concentration polarization and consuming a small fraction of the total current (less than 10%). Losing carbon, cast iron turns into steel.

Нижний желоб 15 является МГД-катодом. При работе на угольном топливе мениск 34 жидкого чугуна покрыт слоем шлака, содержащим оксиды кремния, алюминия, железа, кальция, магния, калия, натрия (например, для кузбасского угля, соответственно, по весу, %: 59, 22, 9, 4, 2, 1) Ток в шлаке переносят в основном катионы натрия, калия, кальция, железа. При содержании оксидов железа ниже 20% ионная проводимость преобладает над электронно-дырочной, обусловленной обменом электронами между ионами двух- и трехвалентного железа. Атомы кремния и алюминия образуют в шлаке малоподвижные комплексы с атомами кислорода. При 2000^оС электропроводность шлаков лежит в пределах 0,01-10 ом^-1см^-1. На поверхности мениска 34 жидкого чугуна катионы из шлака восстанавливаются до металла, растворяющегося в жидком чугуне с образованием ферросплава. В этих условиях желоб 15 служит ванной для электролиза ионного расплава - шлака с расплавленным чугуном в качестве катода и плазмой в качестве анода. На границе шлака с плазмой происходит разряд анионов кислорода из шлака с образованием газообразных кислорода и оксидов углерода, уносимых потоком плазмы.The lower trough 15 is the MHD cathode. When working on coal fuel, the meniscus 34 of molten iron is covered with a slag layer containing oxides of silicon, aluminum, iron, calcium, magnesium, potassium, sodium (for example, for Kuzbass coal, respectively, by weight,%: 59, 22, 9, 4, 2, 1) The current in the slag is transferred mainly by cations of sodium, potassium, calcium, iron. When the content of iron oxides is lower than 20%, the ionic conductivity prevails over the electron-hole conductivity due to the exchange of electrons between the ions of ferrous and ferrous. The silicon and aluminum atoms form inactive slag complexes with oxygen atoms in the slag. At 2000 ^° C, the electrical conductivity of the slag lies in the range of 0.01-10 ohm ^-1 cm ^-1 . On the surface of the meniscus 34 of molten iron, cations from slag are reduced to a metal that dissolves in molten iron to form a ferroalloy. Under these conditions, the gutter 15 serves as a bath for the electrolysis of an ionic melt — slag with molten iron as a cathode and plasma as an anode. At the boundary of the slag with the plasma, oxygen anions are discharged from the slag to form gaseous oxygen and carbon oxides carried away by the plasma stream.

При работе канала МГД-генератора на бесшлаковом топливе подобным образом в желобе может быть осуществлен электролиз других ионных расплавов, заливаемых в желоба поверх соответствующего жидкого металла. Вариант с нижним расположением токоотводящих стенок обеих полярностей (фиг. 6) позволяет использовать плазму и в качестве анода, и в качестве катода - соответственно в желобах МГД-катода и МГД-анода. When the channel of the MHD generator operates on non-slag fuel in a similar manner, electrolysis of other ionic melts can be carried out in the gutter, poured into the gutters over the corresponding liquid metal. The option with the lower location of the current-conducting walls of both polarities (Fig. 6) allows the use of plasma both as an anode and as a cathode, respectively, in the grooves of the MHD cathode and MHD anode.

Образованию дуг на металлическом расплаве в канале МГД-генератора препятствует ряд факторов. Выдвинутые в плазму боковые стенки желоба секционируют приэлектродную область плазмы над жидким металлом, лишая дугу притока электричества со стороны боковых стенок. Подъем температуры жидкого металла над температурой плавления повышает эмиссию электронов на всей поверхности катода, которая поэтому шунтирует пятно дуги. Обусловленное подвижностью жидкости непрерывное изменение ее рельефа, вызванное флуктуациями давления в плазме, мешает развитию дуги. При наличии в желобе слоя шлака он дополнительно защищает металл от дуг, как и нижняя стенка из оксидной керамики, отделяющая металл верхнего желоба от плазмы. The formation of arcs on a metal melt in the channel of the MHD generator is hindered by a number of factors. The lateral walls of the trough extended into the plasma section the near-electrode region of the plasma above the liquid metal, depriving the arc of the influx of electricity from the side of the side walls. Raising the temperature of the liquid metal above the melting temperature increases the emission of electrons on the entire surface of the cathode, which therefore shunts the arc spot. Due to the fluid mobility, a continuous change in its relief, caused by pressure fluctuations in the plasma, prevents the development of an arc. If there is a slag layer in the gutter, it additionally protects the metal from arcs, as does the lower oxide ceramic wall, which separates the metal of the upper gutter from the plasma.

Магнитное поле, создаваемое обмоткой магнита, направлено параллельно боковым стенкам каждого желоба, как и электрический ток, протекающий внутри желоба по металлическому расплаву от плазмы к электрическому контакту. В этих условиях расплав свободен от силы, которая была бы направлена вдоль желоба и искривляла бы поверхность расплава в этом направлении. Вместе с тем на расплав действует сила, направленная поперек желоба и прижимающая его к одной из боковых стенок. Эта сила тем меньше, чем меньше различие в направлениях тока и магнитного поля. При необходимости ее влияние на уровень расплава в поперечном относительно желоба направлении может быть снижено коррекцией магнитного поля, наклоном боковых стенок желоба в сторону, противоположную действию этой силы в каждом сечении желоба, погружением в расплав смачиваемого им керамического волокнистого материала, который стабилизирует положение расплава благодаря действию капиллярных сил. The magnetic field generated by the magnet winding is directed parallel to the side walls of each gutter, as is the electric current flowing inside the gutter through the metal melt from the plasma to the electrical contact. Under these conditions, the melt is free from the force that would be directed along the trench and would bend the surface of the melt in this direction. At the same time, a force is applied to the melt directed across the gutter and pressing it against one of the side walls. This force is the smaller, the smaller the difference in the directions of current and magnetic field. If necessary, its effect on the melt level in the direction transverse relative to the gutter can be reduced by correcting the magnetic field, tilting the side walls of the gutter to the side opposite to the action of this force in each section of the gutter, immersing the ceramic fiber material wetted by it, which stabilizes the position of the melt due to the action capillary forces.

В желобах с сепаратором 42 возникает круговое движение расплава под напором продуктов сгорания. В зазоре 43, обращенном в канал, расплав движется в направлении потока плазмы (фиг. 3), а в зазоре 44 - в обратном направлении. Циркуляция и перемешивание расплава выравнивают состав и температуру по длине желоба, усиливают теплоотвод, стабилизируют температуру огневой поверхности. Отсутствие тепловых напряжений в металлическом расплаве повышает термостойкость токоотводящей стенки канала. Желоба допускают значительный - более 50% - износ боковых стенок по высоте. В сочетании с возможностью многократного обновления металлического расплава в желобах это увеличивает ресурс канала. In the channels with the separator 42 there is a circular motion of the melt under the pressure of the combustion products. In the gap 43 facing the channel, the melt moves in the direction of the plasma flow (Fig. 3), and in the gap 44 in the opposite direction. Circulation and mixing of the melt equalize the composition and temperature along the length of the gutter, enhance heat removal, and stabilize the temperature of the firing surface. The absence of thermal stresses in the metal melt increases the heat resistance of the current-conducting wall of the channel. The gutters allow significant - more than 50% - wear of the side walls in height. In combination with the possibility of multiple updates of the metal melt in the gutters, this increases the channel resource.

Claims

1. CHANNEL OF THE MHD GENERATOR, comprising two downstream walls of electronic sections with ceramic elements oriented across the channel and two insulating walls, characterized in that the downstream wall is made in the form of a series of gutters closed from the ends, filled with metal melt and arranged horizontally with a monotone along the channel a change in the level of filling with the melt, and the length of the gutters is greater than the distance between the insulating walls, and an electrical contact is installed at one of the ends of each gutter, ny to an external electric circuit.

2. The channel according to claim 1, characterized in that the gutters are installed so that their lower walls form the fire surface of the upper current-conducting wall of the channel.

3. The channel according to claim 1, characterized in that the gutters are installed so that the upper ends of their side walls go out onto the firing surface of the lower downstream wall of the channel.

4. The channel according to claim 3, characterized in that an inclined drain is located between the troughs.

5. The channel according to claim 1, characterized in that molten iron is used as the metal melt.