Ultraschall-Geschwindigkeitsmessung in einem Liquid Metal Electrode

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments ist es, den Fluss einer Flüssigmetallelektrode zu messen, wie sie zur Energiespeicherung in Flüssigmetallbatterien verwendet wird. Dies wird erreicht, indem das flüssige Metall auf eine konstante Temperatur gebracht und mit einer Ultraschallsonde in Kontakt gebracht wird. In einem zweiten Schritt wird die Schallgeschwindigkeit gemessen, die für nachfolgende Geschwindigkeitsmessungen notwendig ist.

Als nächstes werden Ultraschallsonden verwendet, um den Durchfluss zu messen und gleichzeitig den elektrischen Strom zu variieren, der durch die Elektrode fließt. Die Ergebnisse zeigen, dass ein erhöhter Strom den Fluss antreibt, was die Batterieleistung verbessern würde. Der Hauptvorteil von Ultraschall gegenüber anderen Methoden wie heißen Drähten oder MRT-Paaren besteht darin, dass diese eine Messung an einem Punkt durchführen.

Während Ultraschall eine Messung entlang einer ganzen Linie durch ein Fluid durchführt, erhalten wir viel mehr Informationen, mit denen wir mehr Einblicke in die Mischung und den Stofftransport in Energiesystemen wie Flüssigmetallbatterien gewinnen können. Diese Methode kann jedoch Einblicke in Flüssigmetallbatterien geben. Es kann auch auf andere Technologien angewendet werden, die auf die Flüssigkeitsströmung angewiesen sind, wie z. B. Flow-Batterien und Brennstoffzellen.

Laden Sie zunächst den Ultraschallwandler, das Blei, das Wismut, den Rührstab und die Thermoelemente in eine Handschuhbox, indem Sie den Anweisungen des Herstellers der Handschuhbox folgen, um das Eindringen von Sauerstoff und Feuchtigkeit zu minimieren. Nach dem Einstellen des PID-Reglers verwenden Sie den Ofen, um mindestens 400 Gramm Bleiwismut zu schmelzen. Setzen Sie einen Ultraschallwandler in das Schallgeschwindigkeitsmessgerät ein und ziehen Sie die Pressverbindung fest, um Undichtigkeiten zu vermeiden.

Nach dem Einsetzen eines thermischen Paares, verwenden Sie eine Arbeitsstation, um die Temperatur zu überwachen und zu protokollieren, um das geschmolzene Metall auf das Schallgeschwindigkeitsmessgerät zu übertragen, platzieren Sie das Gerät zwei Minuten lang auf dem Ofenboden, um die Temperatur allmählich zu erhöhen und einen Temperaturschock zu vermeiden. Nachdem Sie wärmeempfindliche Geräte und Materialien aus dem Bereich entfernt haben, fügen Sie jeweils kleine Mengen geschmolzenes Metall hinzu, da ein Temperaturschock den Ultraschallwandler beschädigen kann. Geben Sie Bleiwismut zu, bis die Wandlerfläche und der Mikrometerkopf vollständig eingetaucht sind.

Sobald sich die Temperatur stabilisiert hat und mindestens fünf Minuten lang innerhalb eines Grades Celsius liegt, stellen Sie die Mikrometerspitze auf eine beliebige, aber bekannte Position. Zeichnen Sie Ultraschall-Echo-Messungen gemäß den Anweisungen des Geräteherstellers mit dem Mikrometer-Einstellrad auf. Bewegen Sie die Mikrometerspitze um einen bekannten Abstand und zeichnen Sie anschließend die Ultraschall-Echo-Messungen auf.

Entfernen Sie das geschmolzene Metall aus dem Schallgeschwindigkeitsmessgerät und bewahren Sie es in einem hitzetoleranten Behälter auf. Um die Schallgeschwindigkeit zu bestimmen, stellen Sie die Echoamplitude als Funktion der Echozeit für jede der beiden Messungen dar und lokalisieren Sie die Echos, indem Sie eine Gaußsche Kurve an jeden Echopeak anpassen. Berechnen Sie die Schallgeschwindigkeit, indem Sie die Verschiebungsentfernung durch die Differenz der Echospitzenzeiten dividieren.

Führen Sie nach dem Schmelzen von 840 Gramm Bleiwismut einen Ultraschallwandler in den Batteriebehälter ein und ziehen Sie die Pressverbindung fest, um Undichtigkeiten zu vermeiden, und stellen Sie sicher, dass der Ofenboden waagerecht ist, um das geschmolzene Metall in den Batteriebehälter zu übertragen. Stellen Sie das Gefäß fünf Minuten lang auf den Ofenboden, um die Temperatur allmählich zu erhöhen und einen Temperaturschock zu vermeiden. Sobald wärmeempfindliche Geräte und Materialien aus dem Bereich entfernt wurden, fügen Sie jeweils kleine Mengen geschmolzenes Metall hinzu.

Platzieren Sie die Ofenisolierung um das Batteriegefäß, falls sie noch nicht vorhanden ist, und setzen Sie dann den Deckel zusammen mit dem Negativ auf das Batteriegefäß. Stromabnehmer und Thermoelemente stellen alle elektrischen Verbindungen sowohl für die Stromversorgung als auch für die Signale her. Verwenden Sie ein OME, um sicherzustellen, dass keine unbeabsichtigten elektrischen Pfade vorhanden sind.

Überprüfen, ob der elektrische Widerstand zwischen dem negativen Stromabnehmer und allen Signalleitungen mindestens ein Megaohm beträgt. Nachdem Sie gewartet haben, bis die Temperatur 150 Grad Celsius erreicht hat, beginnen Sie mit der Aufzeichnung und Überwachung von Temperatur, Wärme, Leistung, Batteriespannung und Batteriestrom. Stellen Sie sicher, dass Sie die Schallgeschwindigkeit mit der entsprechenden Temperatur entsprechend einem akzeptierten Modell einstellen.

Passen Sie die Pulswiederholfrequenz so an, dass die Echotiefen eng beieinander liegen. Passen Sie dann die Anzahl der Tore so an, dass das starke Echo von der hinteren Wand des Schiffes in den letzten Toren erscheint. Stellen Sie das Gerät gemäß den Anweisungen des Herstellers auf die Hardwareauslösung ein.

Beginnen Sie als Nächstes mit der Aufzeichnung und Überwachung der Geschwindigkeit mit dem Ultraschallgerät, indem Sie die Auslösung von der Workstation aus starten. Aufzeichnen von vier Geschwindigkeitsprofilen pro Sekunde Stellen Sie den Batteriestrom 30 Minuten lang auf fünf Ampere ein. Nachdem Sie fünf Minuten gewartet haben, bis sich der Durchfluss stabilisiert hat, zeichnen Sie 30 Minuten lang vier Geschwindigkeitsprofile pro Sekunde auf. Nachdem Sie die vorherigen Schritte für 10, 15, 20, 25 und 30 Ampere wiederholt haben, beenden Sie die Datenaufzeichnung und schalten Sie den Ofen aus.

Trennen Sie die elektrischen Anschlüsse und entfernen Sie den Ofendeckel. Entfernen Sie das geschmolzene Metall aus dem Batteriebehälter mit den gleichen Verfahren, die beim Befüllen des Behälters verwendet wurden, und lagern Sie es in einem hitzebeständigen Behälter. Zum Schluss gibst du zusätzliche Argonnen in das Handschuhfach.

Eine Messung der Schallgeschwindigkeit in Bleiwismut ist hier dargestellt. Jede Kurve, die das gemessene Echo zeigt, ist ein Durchschnitt über 98 Profile mit einer Länge von 7,4 Sekunden, und die berechnete Schallgeschwindigkeit beträgt 1.795 Meter pro Sekunde bei 138 Grad Celsius. Eine Ultraschallgeschwindigkeitskurve, die ohne Strom in der Elektrode aufgezeichnet wurde.

Es ist hier zu sehen. Die positiven Geschwindigkeiten bedeuten die Strömung weg vom Schallkopf und die negativen Geschwindigkeiten bedeuten die Strömung zum Schallkopf. Allerdings geben Ultraschallmessungen entlang eines Durchmessers nicht überall Aufschluss über die Strömung.

Die Messungen stimmen mit einer Sammlung von Konvektionsrollen überein, wie sie hier skizziert sind, indem positive Geschwindigkeiten in Rottönen und negative Geschwindigkeiten in Blautönen dargestellt werden. Die Zeit kann aufgetragen werden, um Raum-Zeit-Diagramme zu erstellen, die die zeitliche Variation der Strömung vermitteln können. Diese Strömung ist ungeordnet und eine Periode, die mit dem übereinstimmt, was von turbulenter Konvektion erwartet wird. Hier wird die Hauptströmung dargestellt und eine Standardabweichung angegeben.

Hier werden Ultraschallgeschwindigkeitsmessungen mit Strom angezeigt, der durch die Elektrode fließt. Konvektionszellen neigen dazu, sich an den durch elektrischen Strom erzeugten Magnetfeldlinien auszurichten. Die Organisation der Strömung Die erhöhte Organisation in Gegenwart eines Magnetfeldes stimmt mit früheren Beobachtungen in Flüssigmetallkonvektionsexperimenten und theoretischen Vorhersagen überein. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Ultraschall zur Messung der Geschwindigkeit in Flüssigmetallelektroden implementiert wird.

Ultraschall ermöglicht also hochauflösende Messungen der Geschwindigkeit selbst in einer undurchsichtigen Flüssigkeit, und das ist leistungsstark. Das ist etwas, was wir als nächstes nutzen werden, um empirische Modelle für Flüssigmetallelektroden zu entwickeln, um Vorhersagen über deren Durchmischung und Transport unter technologisch relevanten Bedingungen treffen zu können.