Abstract
Eine zunehmende Anzahl von elektrochemischen Techniken hängen von Fluidströmung, und oft, daß das Fluid undurchlässig ist. Messen des Durchflusses einer opaken Flüssigkeit ist inhärent schwieriger als Messen der Strömung einer transparenten Flüssigkeit, da optische Verfahren nicht anwendbar. Ultraschall kann verwendet werden, um die Geschwindigkeit einer opaken Flüssigkeit nicht nur an einzelnen Punkten zu messen, sondern in Hunderten oder Tausenden von Punkten entlang der Linien angeordnet sind, mit einer guten Zeitauflösung. Wenn sie auf eine Flüssigmetall-Elektrode angelegt wird, umfaßt Ultraschall-Geschwindigkeitsmessung zusätzliche Herausforderungen: hohe Temperatur, chemische Aktivität und elektrischen Leitfähigkeit. Hier beschreiben wir die experimentelle Vorrichtung und Verfahren, die diese Herausforderungen zu bewältigen und ermöglichen die Messung der Strömung in einem flüssigen Metallelektrode, da es Strom leitet, bei Betriebstemperatur. Die Temperatur wird innerhalb von ± 2 ° C unter Verwendung einer Proportional-Integral-Differential (PID) Steuerung, die Befugnisse einer speziell angefertigten Ofen geregelt. Chemische Aktivität ist der Menschindem Sie Schiff Materialien sorgfältig und umschließt den Versuchsaufbau in einem mit Argon gefüllten Handschuhfach im Alter. Schließlich werden unbeabsichtigte elektrische Pfade sorgfältig vermieden. Ein automatisiertes System protokolliert Steuerungseinstellungen und experimentellen Messungen, mit Hardware-Trigger-Signale von Geräten zu synchronisieren. Diese Vorrichtung und diese Verfahren können die Messungen, die mit anderen Techniken unmöglich herzustellen, und erlauben die Optimierung und Steuerung des elektrochemischen Technologien wie Flüssigmetall-Batterien.
Introduction
Flüssigmetall-Batterien sind eine vielversprechende Technologie für die Bereitstellung von großen Energiespeicher am weltweiten Stromnetze 1. Diese Batterien bieten hohe Energiedichte, hohe Leistungsdichte, lange Lebensdauer und niedrige Kosten, wodurch sie ideal für netz Skala Energiespeicher 3. Einführung in Flüssigmetall-Batterien auf den Energienetz würde Spitzenausgleich zu ermöglichen, verbessern die Netzstabilität und ermöglichen viel mehr weit verbreitete Verwendung von intermittierenden erneuerbaren Quellen wie Sonne, Wind und Gezeitenkraft. Flüssigmetall-Batterien bestehen aus zwei flüssigen Metallelektroden durch einen geschmolzenen Salzelektrolyten getrennt sind, wie detaillierter in früheren Arbeiten 1 beschrieben. Obwohl viele verschiedene Kombinationen von Metallen und Elektrolyt kann in einer Arbeitsflüssigkeit, Metall Batterie führen, wobei die Prinzipien des Betriebs bleiben die gleichen. Die Metalle so gewählt sind, dass sie energetisch günstig für sie eine Legierung zu bilden; so Legierungs entlädt den Akku, und de-Legierungskosten es. Die salt Schicht wird so gewählt, dass es ermöglicht Metallionen zwischen den beiden Elektroden passieren, blockiert aber den Transport von neutralen Spezies, wodurch elektrochemische Steuerung der System Man erhält.
Diese Arbeit wird Flüssigmetall-Batterie-Technologie von Quantifizierung und Steuerung von Massentransporteffekte voranzutreiben. Die hier beschriebenen Methoden sind für Flüssigmetall-Batterien durch Sadoway et al entwickelten elektrochemischen Methoden 1-4 sowie frühere Flüssigmetall-Batterie Arbeit am Argonne National Laboratory 5,6, und die Arbeit des breiteren elektro Gemeinschaft (Bard und Faulkner informiert. 7 bieten viele relevante Zeugnisse). Die hier beschriebenen Methoden auch nach vorheriger Fluiddynamik Studien bauen. Ultraschall-Geschwindigkeitsmessung entwickelt und zunächst in Wasser 8,9 verwendet und hat sich seitdem zu flüssigen Metallen wie Gallium 10,11, 12,13 Natrium, Quecksilber 14 aufgebracht worden ist, Blei-Wismut-15 Kupfer-Zinn-15 </ Sup>, und Blei-Lithium-16, unter anderem. Eckert et al. Eine nützliche Überprüfung der Geschwindigkeitsmessung in flüssigen Metallen 17.
Neuere Arbeiten mit Methoden ähnlich den hier beschriebenen 18 hat gezeigt, dass Batterieströme können Stofftransport in flüssiger Metallelektroden zu verbessern. Weil Massentransport in der positiven Elektrode ist der geschwindigkeitsbestimmende Schritt in Laden und Entladen von flüssigem Metall-Batterien, Misch ermöglicht somit schnellere Ladung und Entladung als es sonst möglich wäre. Außerdem Mischen verhindert lokale Inhomogenitäten in der Elektrode, die Feststoffe, die die Zykluslebensdauer einer Batterie zu begrenzen bilden können. In den laufenden Arbeiten wir weiterhin die Rolle der Flüssigkeitsstrom in der positiven Elektrode der Flüssigmetall-Batterie, die wegen der thermischen und elektromagnetischen Kräften entsteht studieren. Thermischen Gradienten fahren konvektive Strömung durch Auftrieb und Batterieströme treiben Fluss durch die Interaktion mit den Magnetfeldern von der Teig induzierty Ströme selbst. In Experimenten unter Verwendung der unten beschriebenen Verfahren, haben wir Strömungen mit Reynolds-Zahl 50 <Re <200, von der Elektrodentiefe und root-mean-square Geschwindigkeit berechnet beobachtet. Eine gründliche experimentelle Charakterisierung wird eingeleitet und die resultierende Datenmenge verwenden, um vorausschauende Akku-Modelle zu bauen. Der Schwerpunkt dieses Handschrift ist auf dem Versuchsaufbau und Verfahren erforderlich, um solche Daten zu erzeugen. Ultraschall-Geschwindigkeitsmessung liefert den Großteil der Messungen und Versuchsbedingungen sorgfältig, um Ultraschall in flüssigen Metalls erfolgreich nutzen gesteuert werden. Hohe Temperatur, chemische Aktivität, und die elektrische Leitfähigkeit sind alle sorgfältig verwaltet werden.
Erstens, Flüssigmetall-Batterien unbedingt bei hoher Temperatur zu betreiben, weil beide Metalle und dem Salz, das trennt sie muss geschmolzen werden. Eine vielversprechende Wahl der Materialien, der Lithium als negative Elektrode verwendet, Blei-Antimon als positive Elektrode und einer eutektischen Mischung von Lithiumsalzen als Elektrolyt erfordert Temperaturen von etwa 550 ° C. Messen des Durchflusses einer opaken Flüssigkeit bei solch hohen Temperaturen ist ziemlich schwierig. Hochtemperatur-Ultraschallwandler, der die empfindlichen elektro-akustische Komponenten aus der Testflüssigkeit mit einem akustischen Wellenleiter zu trennen, wurde gezeigt, 15 und kommerzialisiert. Jedoch, weil die Wandler haben Einfügungsverlust in der Nähe von 40 dB, und wegen der Schwierigkeit der allgemeinen arbeitet bei solchen Temperaturen ein Surrogatsystem wurde für anfängliche Untersuchungen ausgewählt worden: ein flüssiges Metall Batterie kann auch unter Verwendung von Natrium als die negative Elektrode hergestellt werden eutektischen 44% Blei 56% Bismut (nachfolgend ePbBi) als positive Elektrode, und eine dreifache eutektische Mischung aus Natriumsalze (10% Natriumiodid, 38% Natriumhydroxid, 52% Natriumamid) als Elektrolyt. Eine solche Batterie ist vollkommen geschmolzenen über 127 ° C, so dass es viel zugänglicher Laborstudie. Da sie aus drei Flüssigkristall zusammenSchichten, die durch Dichte getrennt sind, ist es Gegenstand der gleichen physikalischen andere Flüssigmetall-Batterien. Und es ist mit leicht verfügbaren Ultraschallwandler, die bis 230 ° C ausgelegt sind kompatibel, beinhalten keine Wellenleiterverluste und kosten viel weniger als Hochtemperatur-Wandler. Diese Versuche finden typischerweise bei 150 ° C. Bei dieser Temperatur hat ePbBi Viskosität ν = 2,79 x 10 -7 m 2 / s, Temperaturleitfähigkeit κ = 6,15 x 10 -6 m 2 / sec, und magnetische Diffusivität η = 0,8591 m 2 / sec, so daß seine Prandtl-Zahl ist Pr = ν / κ = 4,53 x 10 -2 und ihre magnetischen Prandtl-Zahl ist Pm = ν / η = 3,24 x 10 -7.
Obwohl dieser Niedertemperatur-Flüssigmetall-Batteriechemie macht Fluss Studien viel einfacher, als sie es in Batterien heißer zu sein, müssen Temperatur dennoch sorgfältig verwaltet werden. Als empfindliche elektro-akustischen Geräten, sind Ultraschallwandler susceptible durch thermischen Schock beschädigt und muß daher allmählich erhitzt werden. Hochwertige Ultraschall-Messungen erfordern auch eine sorgfältige Temperaturregelung. Ultraschall-Geschwindigkeitsmessung funktioniert wie Sonar, wie in Abbildung 1 gezeigt: der Wandler einen Piepton (hier ist die Frequenz 8 MHz), dann wartet auf Echos. Durch Messen der Flugzeit des Echos kann die Entfernung zu dem Echo Körpers berechnet werden, und durch Messen der Dopplerverschiebung der Echo kann eine Komponente der Körpergeschwindigkeit berechnet werden. In Wasser muß Tracerpartikel zugesetzt werden, um Echos zu erzeugen, aber keine Tracer-Partikel in flüssigen Metallen erforderlich, ein Umstand, der nicht im Detail verstanden wird, aber sie wird typischerweise auf das Vorhandensein von kleinen Metalloxidteilchen zurückzuführen. Jede Messung ist ein Mittelwert über alle Tracer-Partikel in einer Abfragevolumen; In dieser Arbeit ist der Mindestdurchmesser 2 mm, in einem Abstand von 30 mm von der Sonde. Obwohl Oxidation kann schließlich begrenzen die Dauer der Experimente, mit thnachfolgend beschriebenen Verfahren e haben wir Messungen kontinuierlich solange 8 Stunden vorgenommen.
Berechnung entweder Abstand oder Geschwindigkeit erfordert die Kenntnis der Schallgeschwindigkeit in der Testflüssigkeit und dass Geschwindigkeit variiert mit der Temperatur. Die hier beschriebene Arbeit konzentriert sich auf die Strömung in dem ePbBi negativen Elektrode, wo die Schallgeschwindigkeit ist 1766 m / sec bei 150 ° C, 1.765 m / s bei 160 ° C und 1.767 m / sec bei 140 ° C 19. So unzureichenden Temperaturregelung würde systematische Fehler in den Ultraschallmessungen einzuführen. Eine Vorrichtung wurde konstruiert, um die Schallgeschwindigkeit in ePbBi messen, der Suche nach Werten entsprachen denen veröffentlichte, vom Nuclear Energy Agency 19 akzeptiert (siehe unten). Da schließlich die thermische Konvektion ist ein wesentlicher Faktor der Strömung im flüssigen Metall-Batterien, sowohl die Durchschnittstemperatur und die Temperaturdifferenz zwischen dem oberen und unteren Rand des ePbBi Elektrode unmittelbar auf Beobachtungen. Für gleichbleibende Ergebnisse, präzise WärmeKontrolle ist unerlässlich.
Dementsprechend wird die Temperatur kontinuierlich mit mindestens drei K-Typ-Thermoelementen gemessen, die Anmeldung ihre Messungen elektronisch mit einem Computer-basierten Erfassungsgerät und einem speziell geschriebenen LabView-Programm. Das Programm steuert auch die Stromversorgung, Batteriestrom liefert, über einen USB-Anschluss; meldet die Batterie Strom und Spannung; und sendet Triggerimpulse an das Ultraschallinstrument, so daß seine Daten können mit den anderen Messungen synchronisiert werden. Ein Systemdiagramm in Abbildung 2 dargestellt. Die Wärme wird durch einen speziell angefertigten Ofen, der zwei 500-W industrielle Heizelemente angetrieben von einem Relais, das durch einen Proportional-Integral-Differential schaltet enthält (PID) (auch in Figur 2 gezeigt) vorgesehen, Controller. Die Grundplatte, die Batteriezellen unterstützt wird aus massivem Aluminium; weil seine Wärmeleitfähigkeit ist um eine Größenordnung höher als die Wärmeleitfähigkeit des rostfreien StAal Batteriezellengefäß und der es 19 enthält ePbBi, ist die Temperatur der Ofenboden etwa gleichmäßig. Außerdem verdoppelt sich die Aluminiumbasis als Weg für den elektrischen Ströme, die durch die Elektrode. Seine elektrische Leitfähigkeit ist auch eine Größenordnung höher als die von rostfreiem Stahl oder ePbBi, so dass die Spannung der Ofenboden ist auch annähernd gleichmäßig. Isolations Beine trennen die Basis von der Tisch unten und verhindert Verbrennungen und Shorts. Die Seiten des Batteriegefäßes mit Silica Keramikisolierung, geschnitten, um den Behälter dicht zu passen, sondern lassen Raum für den Zugriff auf Ultraschall-Anschluss der Zelle isoliert. Schließlich isoliert eine Polytetrafluorethylen (PTFE) Deckel der Zelle von oben und hält den negativen Stromkollektor und Thermoelemente vorhanden. Obwohl im Handel erhältlichen Kochplatten können die für diese Experimente erforderlichen Temperaturen zu erreichen, unsere maßgeschneiderten Ofen hält die Temperatur mit einer Größenordnung geringer Variation, einnd erlaubt uns auch, Wärmeleistung direkt zu messen.
Zusätzlich zu Herausforderungen Temperatur verbunden sind, gibt es Herausforderungen mit chemischen Aktivität. Bei 150 ° C, ist ein ePbBi positive Elektrode mit vielen gängigen Materialien chemisch kompatibel. Eine Natrium negative Elektrode jedoch korrodiert viele Materialien, oxidiert leicht und reagiert heftig mit Feuchtigkeit. Eine negative Lithiumelektrode ist auch aggressive, insbesondere weil Lithium basierende Flüssigmetall-Batterien typischerweise bei viel höheren Temperaturen. Obwohl diese Hochtemperatursysteme sind außerhalb des Umfangs dieser Arbeit viele der gleichen Maßnahmen zur Steuerung von chemischen Aktivität als bei jenen Systemen verwendet. Alle hier beschriebenen Experimente finden in einer mit Argon gefüllten Handschuhfach, die nur Spuren von Sauerstoff oder Feuchtigkeit. Der Batteriebehälter ist aus Legierung 304 rostfreiem Stahl, die minimal noch mit Lithium bei 550 ° C zersetzt werden. Die Thermoelemente und negativen StromSammler sind ebenfalls aus rostfreiem Stahl. Die Behältergeometrie so gewählt, daß Schiffe, die elektrochemische Prüfung von Flüssigmetall-Batterien übereinstimmt, um so nah wie möglich zu modellieren die Systeme, die kommerzialisiert werden. Das Gefäß, in Figur 2 dargestellt, ist zylindrisch mit einem 88,9 mm Innendurchmesser und einem 67 mm Tiefe. Alle Gefäßwände sind 6,4 mm dick. Der Behälter unterscheidet sich von denen früherer Versuche verwendet jedoch, daß es einen Ultraschall-Port hat. Der Port führt durch die Seitenwand entlang einer horizontalen Durchmesser des Zylinders, und das Zentrum der Öffnung beträgt 6,6 mm über dem Behälterboden. Der Hafen ist mit 8 mm Durchmesser, um ein 8 mm-Ultraschallwandler aufzunehmen und eine Dichtung um den Wandler mit einem Gesenk. In diesen Experimenten ist die flüssige Metallelektrode gerade tief genug, um den Ultraschallwandler, in der Regel 13 mm abzudecken.
Um starke Ultraschallsignale zu erreichen, gute akustische Übertragung erfordert einezwischen dem Ultraschallwandler und den Fluid es Sonden (ePbBi). Maximale akustische Leistung übertragen wird, wenn die akustische Impedanz des Wandlermaterials und der Testflüssigkeit identisch sind; wenn die Impedanzen abweichen, Signale zu leiden. Anordnen eines Ultraschallwandlers in direktem Kontakt mit sauberen ePbBi (wie durch den oben beschriebenen Port ermöglicht) bietet ausreichend Signal oft stundenlang zu einem Zeitpunkt. Metalloxide haben jedoch sehr unterschiedliche Impedanz und können auch mit Netz stören, indem die Oberflächenspannung. Wenn die ePbBi wesentlich oxidiert wird, Ultraschallsignale verschlechtern und bald verschwinden. Auch hier ist eine inerte Atmosphäre erforderlich. Wenn Spurenmengen von Sauerstoff führen einige Oxidations dennoch wird die Oberfläche des Metalloxids vor dem Übertragen ePbBi in das Batteriegefäß abgeschöpft.
Schließlich werden diese Experimente stellen Herausforderungen wegen der Anwesenheit von elektrischen Strömen. Obwohl die Ströme sind unsere zentralen wissenschaftlichen und technologischen interest, sie sind groß genug (30 A), Schaden zu verursachen, wenn sie falsch geleitet. Nicht geerdete Thermoelemente sorgen dafür, dass schädliche elektrische Ströme nicht durch das Datenerfassungsgerät oder den Computer übergeben, die es unterstützt, weil nicht geerdete Thermoelemente keine interne elektrische Verbindung von der Schutzhülle zu beiden Signaldraht haben. Ebenso ist es wichtig, nicht geerdeten Ultraschallwandler (Signalverarbeitungs SA, TR0805LTH) verwenden, um Streustrom an der Beschädigung der wertvollen Ultraschallgerät (Signalverarbeitungs SA, DOP 3010) zu verhindern. Wie zuvor erwähnt, ist der Boden des Ofens dient dazu, elektrischen Strom zu leiten, und ist auch von seiner Umgebung elektrisch isoliert sein.
Im ePbBi Elektrode, Strom bewirkt ohmsche Heizung, die Temperatur möglicherweise stören. Somit muß die automatisierte Wärmesteuersystem in der Lage, auf Änderungen in der Wärmeeingang einzustellen. 3 zeigt, wie die Temperatur des ePbBi Elektrode variiert curMiete durchströmt, und wie der PID-Regler stellt kompensieren. Die Aufrechterhaltung konstanten Temperatur mit großer Ströme (50 A = 800 mA / cm) würden zusätzliche Kühlung erfordern, aber bei niedrigeren Strömen realistischer für Flüssigmetall-Batterien für industrielle Anwendungen (typischerweise 17 A = 275 mA / cm 1) ist der Regler in der Lage für ohmsche Erwärmung zu kompensieren und halten Temperaturänderung um 2 ° C.
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Protocol
1. System Setup und Montage
- Reinigen Sie den Ultraschallwandler mit Isopropanol.
- Laden Sie das Handschuhfach.
- Last erforderlichen Geräte und Materialien (einschließlich Ultraschallwandler, ePbBi, Rührstab und Thermoelemente) in den Handschuhkasten, folgen Sie den Anweisungen des Herstellers Handschuhfach, um das Eindringen von Sauerstoff und Feuchtigkeit zu minimieren.
- Halten porösen Materialien unter Vakuum im Handschuhfach Vorkammer 12 Stunden vor dem Betreten des Handschuhfachs.
- Tune der PID-Regler (nur beim ersten Mal).
- Zeigen die gleiche Menge an Fest ePbBi in das Batteriegefäß, das bei den Versuchen (840 g) verwendet wird.
- Platzieren Sie den Ofen Isolierung um den Batteriebehälter, wenn sie nicht bereits vorhanden ist, und legen Sie den Deckel oben auf dem Batteriebehälter, zusammen mit der negativen Stromabnehmer und Thermoelemente.
- Alle elektrischen Anschlüsse für Thermoelemente und Ofenleistung, wie in gezeigt
- Initiieren Sie die automatische Abstimmung des PID-Reglers, unter Verwendung von 150 ° C als Sollwert. Hinweis: Die Angaben dieser Schritt wird abweichen, die in den PID-Regler Hersteller und Modell. Der Controller verwendet hier auto-Melodien durch Steuerung vier Vollwärmezyklen, von RT auf Betriebstemperatur, über einen Zeitraum von Stunden.
- Verwenden Sie die Pfeiltasten, um den Sollwert (standardmäßig nach der Abstimmung der Steuerung gezeigt) auf 150 ° C einzustellen.
- Halten Sie die Loop-Taste für 3 Sekunden, um die versteckten Schleife einzutreten. Drücken Sie dann die Loop-Taste wiederholt, bis der Controller-Bildschirm zeigt "Tune". Mit den Pfeiltasten, um es zu ändern JA.
- Fügen Sie ein Thermoelement und verwenden Sie die Arbeitsstation zu überwachen und zu protokollieren Temperatur.
- Nachdem der Selbsteinstellung abgeschlossen ist, notieren Sie die Proportional-Integral-Derivative und Parameter, die der PID-Regler ist automatisch mit Hilfe der Controller-Schnittstelle ausgewählt, nach to den Anweisungen des Herstellers.
2. Schallgeschwindigkeitsmessung
- Verwenden des Ofens genügend ePbBi für das Experiment zu schmelzen, von mindestens 400 g. Anmerkung: erforderliche Menge wird für verschiedene Komponenten variieren und ePbBi schmilzt bei 125 ° C.
- Wenn nötig, entfernen Sie überschüssige Oxid durch Abschöpfen es von der oberen Fläche des ePbBi mit einem Rührstab.
- Legen Sie einen Ultraschallwandler in die Schallgeschwindigkeitsmessung Gerät und ziehen Sie die Pressverbindung um Lecks zu verhindern, legen Sie ein Thermoelement und verwenden Sie die Arbeitsstation zu überwachen und zu protokollieren Temperatur.
- Transfer von geschmolzenem Metall zu der Schallgeschwindigkeit-Messvorrichtung.
- Setzen Sie den Schallgeschwindigkeit Messeinrichtung auf dem Ofenboden und lassen Sie ihn dort für 2 Minuten, um die stufenweise Erhöhung der Temperatur und vermeiden Wärmeschock.
- Bereiten Sie für einen sicheren Transfer durch Entfernen wärmeempfindlichen Geräten oder Materialien aus der Gegend.
- In kleinen Uhrounts von geschmolzenem Metall zu einem Zeitpunkt, da Wärmeschock kann die Ultraschallwandler beschädigen. In ePbBi bis die Wandlerfläche und Mikrometerkopf sind beide vollständig untergetaucht.
- Warten, bis die Temperatur stabil bleibt innerhalb von 1 ° C für mindestens 5 min vor Beginn der Messungen, da die Schallgeschwindigkeit temperaturabhängig ist.
- Measure Ultraschallechos an zwei Standorten.
- Stellen Sie die Mikrometerspitze auf einen beliebigen aber bekannten Ort. Nehmen Ultraschall-Echomessungen, nach den Anweisungen des Geräteherstellers zur Verfügung gestellt.
- Unter Verwendung der Messuhr, bewegen Sie den Mikrometerspitze durch einen bekannten Abstand. Nehmen Ultraschall-Echomessungen.
- Entfernen Sie die Metallschmelze aus dem Schallgeschwindigkeitsmessung Gerät und speichern sie in einer hitzeverträglich Behälter.
- Um festzustellen, Schallgeschwindigkeit, Grundstück Echoamplitude als Funktion der Echozeit für jede der beiden Messungen. Suchen Sie die Echos, indem eine Gauß-Kurveauf jedes Echo Peak, wie in Figur 4 ure. Berechnen der Schallgeschwindigkeit durch Dividieren Verschiebeweg durch die Differenz des Echospitzenzeiten.
3. Ultraschall-Geschwindigkeitsmessung
- Schmelzen genügend ePbBi für den Versuch (840 g), das Entfernen von überschüssigem Oxid, falls erforderlich. Hinweis: Die besten Ergebnisse erzielen, verwenden Sie die gleiche Menge an ePbBi, die zur Abstimmung der PID-Regler verwendet wurde.
- Legen Sie einen Ultraschallwandler in das Batteriegefäß und ziehen Sie die Pressverbindung um Lecks zu verhindern, sicherzustellen, dass die Ofenboden eben ist.
- Transfer von geschmolzenem Metall zu dem Batteriegehäuse.
- Zeigen Batteriebehälter auf Ofenboden und lassen Sie ihn dort für 5 Minuten, um schrittweise Erhöhung der Temperatur und Thermoschock zu vermeiden. Bereiten Sie für einen sicheren Transfer durch Entfernen wärmeempfindlichen Geräten oder Materialien aus der Gegend.
- In geringen Mengen von geschmolzenem Metall zu einem Zeitpunkt, da Thermoschock können die ul beschädigentrasound Wandler.
- Warten, bis die Temperatur 150 ° C erreicht bevor Messungen, da die Schallgeschwindigkeit temperaturabhängig ist.
- Abschluss der Montage der Vorrichtung.
- Platzieren Sie den Ofen Isolierung um den Batteriebehälter, wenn sie nicht bereits vorhanden ist. Den Deckel oben auf dem Batteriegefäß zusammen mit der negativen Stromkollektor und Thermoelemente. Achten Sie darauf, dass alle genau und wiederholbar positioniert; Wellenringe eignen sich gut für diese.
- Stellen Sie alle elektrischen Verbindungen sowohl für Leistung und Signale, wie in Figur 2B gezeigt ure. Mit einem Ohmmeter überprüfen, dass keine unbeabsichtigten elektrischen Pfade vorhanden sind, das heißt, ob der elektrische Widerstand zwischen der negativen Stromkollektor und alle Signalleitungen mindestens 1 MOhm.
- Beginnen Sie die Messungen.
- Beginnen Sie die Protokollierung und Überwachung von Temperatur, Heizleistung, Batteriespannung und BatterieStrom. Anmerkung: Hier wurde eine Arbeitsstation mit benutzerdefinierte LabVIEW-Code verwendet werden, um alle Messwerte zu protokollieren, mit entsprechenden Zeitstempeln.
- Passen Sie die Ultraschall-Geräteeinstellungen nach Bedarf.
- Achten Sie darauf, die Schallgeschwindigkeit festgelegt, mit der entsprechenden Temperatur, nach einem anerkannten Modell 19. Für ePbBi bei 150 ° C, wie nachstehend verwendet, die Geschwindigkeit auf 1760 m / sec.
- Stellen Sie die Pulsfolgefrequenz, so dass Echo Tiefen eng beabstandet sind (in der Regel 0,25 mm).
- Stellen Sie die Gatterzahl, so dass der starke Echo von der gegenüberliegenden Wand des Gefäßes in den letzten Toren erscheint; es bietet eine nützliche Plausibilitätsprüfung zur Fehlerbehebung Signalstärke Fragen.
- Gebrauchsanleitung des Herstellers, setzen Sie das Gerät zur Hardware Auslösung.
- Begin Protokollierung und Überwachung Geschwindigkeit mit dem Ultraschallgerät durch die Einleitung Auslösung von der Arbeitsstation. Nehmen Sie vier Geschwindigkeitsprofile pro Sekunde für 30Minute
- Stellen Sie den Batteriestrom bis 5 A, warten Sie 5 Minuten für die Strömung zu stabilisieren, und nehmen Sie dann vier Geschwindigkeitsprofile pro Sekunde für 30 min.
- Wiederholen Sie Schritt 3.5 für 10 A, 15 A, 20 A, 25 A und 30 A.
Anmerkung: Viele andere Versuchspläne sind ebenfalls möglich, einschließlich Temperaturänderungen und glatte Stromänderungen. Eine Atmosphäre niedrig in Sauerstoff und Feuchtigkeit ermöglicht Experimente mit guter Signalqualität für Stunden oder mehr. - Nachdem die Versuche abgeschlossen sind, beenden Sie die Protokollierung von Daten und schalten Sie den Ofen. Trennen Sie elektrische Verbindungen und ziehen Sie den Ofendeckel. Entfernen des geschmolzenen Metalls aus dem Batteriebehälter, wobei die gleichen Verfahren für die sichere Übertragung, die verwendet wurden bei der Befüllung des Behälters. Bewahren Sie die geschmolzene ePbBi in einem hitzeverträglich Behälter. Fügen Sie Zusatz Argon auf dem Handschuhfach; sein Druck sinkt, wie die Atmosphäre kühlt.
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Representative Results
Das Verfahren zur Messung der Schallgeschwindigkeit (oben im Detail beschrieben) wurde von von Signalverarbeitungs SA Methoden angepasst. Im Prinzip kann die Schallgeschwindigkeit leicht durch Messen der Flugzeit eines Echos von einer Wand an bekannten Bereich erhalten werden. Aber gerade die Messung der effektiven Position des Wandlerfläche ist schwierig, so kann man anstelle der Flugzeit zweimal zu messen, mit einem Mikrometer, um die Wand durch einen bekannten Abstand zwischen den Messungen zu verdrängen. Dass Verschiebungsabstand und der Unterschied in der gemessenen Laufzeit, ergeben zusammen Schallgeschwindigkeit. Die zur Messung der Schallgeschwindigkeit in diesen Versuchen verwendete Vorrichtung ist in 4A gezeigt. Eine Messung der Schallgeschwindigkeit in ePbBi ist in 4B gezeigt. Jede Kurve zeigt gemessene Echo ist ein Durchschnittswert über 98 Profile Spanning 7,4 sec. Jeder Echospitze ist fit zu einer Gauß-Kurve (dargestellt), die Verwendung von vielen Datenpunkten macht und deshalb findet die hallenden Wand viel genauer als Suche nach einem einzigen Maximum. Zu wissen, die Echo-Zeiten, und zu wissen, dass das Echo Wand wurde 2,54 mm verschoben zwischen den Messungen ist der berechnete Schallgeschwindigkeit 1793 m / sec bei 138 ° C, in guter Übereinstimmung mit dem Wert von der Nuclear Energy Agency 19, die 1768 m ist akzeptiert / sec. Bei den Messungen unterhalb wurde NEA Schallgeschwindigkeit verwendet.
Eine Ultraschall-Geschwindigkeitsverlauf, ohne Strom in der Elektrode aufgezeichnet wird, wird in 5A gezeigt. Hier die räumliche Koordinatensystem hat seinen Ursprung in der Mitte des Batteriegefäß und den Wandler auf der negativen Seite des Ursprungs, so daß positive Geschwindigkeiten bedeuten Strom von dem Wandler, und negative Geschwindigkeiten bedeuten Strömung in Richtung des Wandlers. Obwohl Ultraschallmessungen entlang eines Durchmessers liegen Kenntnis der Strömungs überall uns nicht, die Messungen, die mit einer Sammlung von Konvektionswalzen, wie in 5C skizziert.
ve_content "> Nach der für positive Geschwindigkeiten in den Farben rot und negativen Geschwindigkeiten in den Farben blau, Zeit kann auf der vertikalen Achse aufgetragen werden, um Raum-Zeit-Diagramme der in 6A gezeigten Art, die zeitliche Variation der Strömungs vermitteln zu machen. Auch hier ist der Strom Null ist. Wie aus den verschiedenen Formen der roten und blauen Bereiche ist diese Strömungs ungeordnet und aperiodische Einklang mit dem, was von turbulenten Konvektion erwartet. Die mittlere Strömungs ist in 6B aufgetragen, um eine Standardabweichung ist ebenfalls angegeben.Schließlich zeigt 7 Ultraschallgeschwindigkeitsmessungen mit Strom, der durch die Elektrode (in diesem Fall 125 mA / cm). Wie an anderer Stelle näher beschrieben 18, Konvektion Zellen neigen dazu, mit den durch elektrischen Strom erzeugten magnetischen Feldlinien ausgerichtet, die Organisation der Strömung. Erhöhte Organisation ist offensichtlich, wenn 7A ist mit Figur im Vergleich 6A, und die Tatsache, daß die Strömung mäßigere kann durch die Standardabweichung über die Zeit, die kleiner mit Strom als ohne es zu quantifizieren. Erhöht Organisation in Gegenwart eines magnetischen Feldes ist konsistent mit früheren Beobachtungen in flüssigem Metall Konvektion Versuche 20-22 und theoretischen Vorhersagen 23.
Abbildung 1. Ultraschall-Geschwindigkeitsmessung Überblick. (A) einen Ultraschallwandler erzeugt einen Signalton und wartet auf Echo. Wenn ein bewegtes Teilchen (rot) macht ein Echo, das Echolaufzeit dt zeigt Position des Teilchens, und die Doppler-Verschiebung df zeigt eine Komponente seiner Geschwindigkeit. (B) Wenn viele Teilchen vorhanden sind, eine Wandler kann eine Komponente der Geschwindigkeit an verschiedenen Orten entlang einer Linie zu messen. (Nicht maßstabsgetreu).tps: //www.jove.com/files/ftp_upload/52622/52622fig1highres.jpg "target =" _ blank "> Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 2. Versuchsaufbau. (A) Die Ofenanordnung. Eine Aluminiumplatte, die Batterie stützt Behälter aus rostfreiem Stahl und hält eine gleichmßige Temperatur (Aluminium ist ein viel besserer Leiter als rostfreier Stahl). Der Batteriebehälter wird durch Kieselgel Keramik-Isolation, thermische Stabilität, umgeben; zusätzliche Siliciumdioxid Keramikisolation umschließt den gesamten Ofenanordnung. Der Behälter wird durch einen oberen Deckel aus PTFE, die Thermoelemente als auch die negativen Stromabnehmer (nicht gezeigt) unterstützt bedeckt, ohne dass eine elektrische Verbindung zu dem Behälter, der auch der positive Stromabnehmer. Für die hier beschriebenen Experimente wird der Ofen mit angetriebenen zwei Widerstandsheizungen, je 500 W. Das Design ermöglicht zwei zusätzliche Heizelemente zur falls gewünscht enthalten sein. (B) Schiffsquerschnitt. Der Behälter enthält eine dünne Schicht aus geschmolzenem ePbBi, die in Kontakt mit der negativen Stromabnehmer. Thermoelemente machen auch Kontakt mit dem ePbBi. Ein PID-Regler werden die Systemtemperatur und eine Arbeitsstation steuert den Batteriestrom, Ultraschall-Messungen und die Datenerfassung. (C) Handschuhfach-Setup. Experimente finden in einer mit Argon gefüllten Handschuhfach. Die zusammengebaute Ofen sichtbar gerade rechts von der Mitte, mit der computerbasierten Erfassungsgerät und Heizungssteuerung. Die Ultraschall-Instrument beruht auf dem Regal über. (Hier kein Wandler angeschlossen ist.) Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
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3. Die Temperaturregelung. (A) Die Temperatur am oberen und unteren Rand des ePbBi Elektrode während eines Experiments. Temperaturregelung wird durch Erhitzen der Elektrode, dann eine Reihe von Stromimpulsen (B) gezeigt. Die Ofensteuerung durch Modulation Wärmeleistung (C) reagiert. Bei typischen Batteriebetrieb Stromdichten (bis zu 400 mA / cm 2), die Temperatur innerhalb von etwa 3 ° C stabil. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 4. Schallgeschwindigkeitsmessung. (A) Der Behälter für die Messung der Schallgeschwindigkeit wurde mit einem Ultraschall-Port gebaut (rechts) vor einer Mikrometerkopf (links), die mit hoher Amplitude Echos verursacht und mit hoher Genauigkeit positioniert werden. (B) zwei gemessenen Echoprofilen mit jeweils kleinsten Quadrate besten mit einer Gauß-Kurve. Mit den Zentren der Gaußschen passt wie die Fahrzeiten, und zu wissen, dass die Mauer 2,54 cm zwischen den Messungen bewegt wird, wird festgestellt, dass die Schallgeschwindigkeit ist 1793 m / sec bei 138 ° C. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version zu sehen von dieser Figur.
Fig. 5 Eine Ultraschallgeschwindigkeitsverlauf und deren Interpretation. (A) in einer einzigen Spur, die Ultraschall-Gerät misst Geschwindigkeit an verschiedenen Orten (in diesem Fall 440), die entlang der Sichtlinie des Wandlers. Hier die Lage r mvon der Mitte des Bechers gem essen, ist der Wandler auf der linken Seite befindet, und die Geschwindigkeit u <0 bedeutet fließen auf den Schallkopf, während u> 0 bedeutet fließen vom Schallkopf weg. (B) Eine Skizze Regionen Strömung zu und von dem Wandler weg. (C) Eine Skizze eines Strömungsmusters, die mit diesen Messungen. Der Wandler ist in der unteren Hälfte der Elektrode entfernt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Fig. 6 Ultraschallgeschwindigkeitsmessungen von einem Flüssigmetall-Elektrode durch thermische Konvektion angetrieben wird, ohne dass elektrischer Strom. (A) Radialgeschwindigkeit u variiert in Raum und Zeit, mit der Geschwindigkeit in Farbe angezeigt. Dabei ist r die radial koordinieren und t die Zeit. (B) die mittlere Strömungs (schwarz eingezeichnet) und eine Standardabweichung um es (grau) zeigt ähnliche Merkmale auf 5.
Fig. 7 Ultraschallgeschwindigkeitsmessungen von einem Flüssigmetall-Elektrode durch thermische Konvektion und elektrische Stromdichte 125 mA / cm. (A) Radialgeschwindigkeit u in Zeit und Raum variiert angetrieben Geschwindigkeit in Farbe angezeigt. Dabei ist r die radiale Koordinate und t die Zeit ist. (B) die mittlere Strömungs (in schwarz eingezeichnet) und eine Standardabweichung um ihn herum (grau) zeigt einen schnelleren Durchfluss mit weniger Variation in der Zeit, als in Abwesenheit von Strom (Abbildung 6). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version davon zu sehen figure.
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Discussion
Ultraschalltechniken können Geschwindigkeitsmessungen in Hunderten oder Tausenden von Orten in einem transparenten oder opaken Fluids, viele Male pro Sekunde zu erzeugen. In eine flüssige Metallelektrode angelegt wird, Ultraschalltechniken begegnet Anforderungen aufgrund hoher Temperatur, chemische Aktivität und elektrischen Leitfähigkeit. Die Methoden zur Überwindung dieser Herausforderungen und Durchflussmessung in flüssigen aktiven Metallelektroden wurden beschrieben. Zuerst wird ein Elektrodenmaterial unterliegt den gleichen physikalischen als Hochtemperatur flüssige Metall Batterieelektroden (550 ° C), aber bei viel niedrigeren Betriebstemperaturen (150 ° C), erleichtert Herausforderungen Temperatur. Ein speziell angefertigten Ofen und abgestimmten Kontrollsystem verwendet, um die Elektrodentemperatur stetig innerhalb von 2 ° C zu halten. Unerwünschte chemische Aktivität mindern, werden alle Experimente finden in einer mit Argon gefüllten Glovebox, und wählen chemisch inerte Materialien für die Systemkomponenten (oft rostfreier Stahl). Für eine optimale Ultraschallantwort, TRANSDucers in direktem Kontakt mit dem flüssigen Metall Testflüssigkeit gegeben. Und elektrische Ströme werden sorgfältig geleitet von Masseschleifen, die wertvollen Instrumente Schaden zu vermeiden.
Ultraschall-Geschwindigkeitsmessung hat seine Grenzen in flüssigen Metallen. Standardsonden sind nicht ausgelegt für Temperaturen über 250 ° C, ohne deren Einsatz in vielen Metallschmelzen. Ultraschall-Geschwindigkeitsmessung keine Daten zu produzieren setzt so reich wie diejenigen zur Verfügung, die optische Techniken wie Partikelverfolgung 24,25 und Einzelwandlerultraschalltechniken der hier beschriebenen Art messen nur eine Komponente der Geschwindigkeit, und nur entlang einer Linie. Kennzeichnet kleiner als die Ultraschall-Wellenlänge (209 & mgr; m in ePbBi bei 150 ° C mit 8 MHz-Emission) können nicht aufgelöst werden. Für Ultraschallmessungen in großen Systemen, ist die Signaldämpfung eine Herausforderung; in ePbBi mit 8 MHz-Emissionen, sind Schwierigkeiten für eine Entfernung von 300 mm zu erwarten. Verringerung der Häufigkeit reduziert Dämpfung, aberdie Kosten einer entsprechenden Verringerung der Auflösung. Große Systeme erfordern auch geringere Abtastraten, da die Laufzeit im gesamten System ist größer. Und die hier beschriebene Vorrichtung kann nicht mehr auf 150 ° C mit Strömen von 40 A oder mehr zu halten.
Die vorliegenden Verfahren kann im Wesentlichen in der Zukunft erweitert werden. Aufnahme zusätzlicher Ultraschallwandler in die Batteriezelle wäre zum Messen der Geschwindigkeit an mehreren Stellen und / oder Messen von mehr als einer Komponente der Geschwindigkeit zu ermöglichen. Zusätzliche Thermo weitere Informationen über räumliche Temperaturschwankungen geben. Wenn ein direkter Kontakt zwischen dem Ultraschallwandler und der Testflüssigkeit Ausbeuten starke Signale könnten sorgfältige akustische Design ermöglichen hindurch Ultraschall durch die Gefäßwand, wodurch die Gelegenheit für die thermische oder chemische Beschädigung des Wandlers. Eine Mauer zwischen dem Wandler und Testflüssigkeit könnte auch behandelt oder konditioniert, um die negativen Auswirkungen der zu reduzierenOxid in der Testflüssigkeit. Die vorliegenden Verfahren können auch allgemein auf Anwendungen wie Gießen und Industriemetalle Verarbeitung angewendet werden. Schließlich wollen wir unsere Arbeit in die Geschwindigkeitsmessungen der aktiven Dreischicht-Flüssigmetall-Batterien zu erweitern, wie sie laden und zu entladen.
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Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| K Type Thermocouple Probe | McMaster-Carr | 3856K83 | http://www.mcmaster.com/ |
| Red Lion PID Controller | Red Lion | P1610000 | http://store.redlion.net/store/p16.html |
| Measurement Computing Data Acquisition Device | Measurement Computing Corporation | USB-2408 | http://www.mccdaq.com/index.aspx |
| Power Supply | TDK-Lambda | GEN 8-90-USB-U | http://us.tdk-lambda.com/hp/ |
| Ultrasound Instrument | Signal Processing SA | DOP3010 | http://www.signal-processing.com/index.html |
| Ultrasound Transducer | Signal Processing SA | TR0805LTH | http://www.signal-processing.com/index.html |
| Bismuth-Lead Eutectic | VWR | AA40949-P2 | https://us.vwr.com/ |
References
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