Abstract
Steeds elektrochemische technieken afhankelijk fluïdumstroming en vaak dat vloeistof ondoorzichtig. Het meten van de stroming van een ondoorzichtige vloeistof is inherent moeilijker dan het meten van de stroming van een transparante vloeistof, aangezien optische methoden niet van toepassing. Ultrageluid kan worden gebruikt om de snelheid van een ondoorzichtige vloeistof, niet alleen geïsoleerde punten te meten, maar honderden of duizenden punten opgesteld langs lijnen, goede tijdsresolutie. Toegepast op een vloeibaar metaal elektrode, ultrasound velocimetry brengt extra problemen: hoge temperatuur, chemische activiteit en elektrische geleidbaarheid. Hier beschrijven we de experimentele apparatuur en methoden die deze problemen overwinnen en het meten van stroming in een vloeibaar metaal elektrode, zoals stroom geleidt, bij bedrijfstemperatuur. De temperatuur wordt geregeld binnen ± 2 ° C met een Proportioneel-Integraal-Derivative (PID) regelaar die de bevoegdheden van een custom-built oven. Chemische activiteit is mandoor te kiezen voor vaartuig materialen zorgvuldig en bijvoeging van de experimentele opstelling in een met argon gevulde handschoenenkastje jaar. Tenslotte worden onbedoeld elektrische banen zorgvuldig vermeden. Een geautomatiseerd systeem logt controle-instellingen en experimentele metingen, met behulp van hardware triggersignalen om apparaten te synchroniseren. Dit apparaat en deze methoden kunnen metingen die onmogelijk zijn met andere technieken te produceren, en maken optimalisatie en controle van elektrochemische technologieën zoals vloeibaar metaal batterijen.
Introduction
Vloeibaar metaal batterijen zijn een veelbelovende technologie voor het leveren van grootschalige energie-opslag op de wereldwijde elektrische netten 1. Deze accu's bieden een hoge energiedichtheid, een hoge vermogensdichtheid, lange levensduur en lage kosten, waardoor ze ideaal zijn voor raster grootschalige energieopslag 3. Introductie van vloeibaar metaal batterijen om het energienet zou peak shaving maken, het verbeteren van de stabiliteit raster, en maken veel meer wijdverbreid gebruik van intermitterende hernieuwbare bronnen zoals zon, wind en getijdenenergie. Vloeibare metalen batterijen bestaan uit twee vloeibare metaal elektroden gescheiden door een gesmolten zout elektrolyt, zoals in meer detail in eerder werk 1. Hoewel veel verschillende combinaties van metalen en elektrolyt kan resulteren in een werkvloeistof metaal batterij, de werkingsprincipes blijven hetzelfde. De metalen worden gekozen dat het energetisch gunstig voor hen om een legering te vormen; dus legeren ontlaadt de batterij, en de legeren kosten het. De salt laag wordt zodanig gekozen dat het mogelijk maakt metaalionen om tussen de twee elektroden, maar blokkeert transport van neutrale species, waardoor elektrochemisch controle over het systeem bieden.
Dit werk zal vloeibare metaal batterij technologie te bevorderen door het kwantificeren en beheersen van massatransport effecten. De hier beschreven methoden worden geïnformeerd door elektrochemische methoden ontwikkeld voor vloeibaar metaal batterijen door Sadoway et al. 1-4 evenals eerder vloeibaar metaal accu werk bij Argonne National Laboratory 5,6, en het werk van de bredere elektrochemische gemeenschap (Bard en Faulkner 7 bieden veel relevante verwijzingen). De hier beschreven methoden ook voortbouwen op eerdere vloeistofdynamica studies. Echografie velocimetry werd ontwikkeld en voor het eerst gebruikt in water 8,9 en is sindsdien toegepast op vloeibare metalen zoals gallium 10,11, 12,13 natrium, kwik 14, lood-bismut 15, koper-tin 15 </ Sup>, en lood-lithium 16, onder anderen. Eckert et al. Een bruikbaar overzicht van velocimetry in vloeibare metalen 17.
Recent werk met behulp van methoden vergelijkbaar met de hier 18 beschreven, heeft aangetoond dat de batterij stromen massatransport in vloeibaar metaal elektroden kan verbeteren. Omdat massatransport in de positieve elektrode is de snelheidsbeperkende stap in de lading en ontlading van vloeibaar metaal batterijen, mengen laat dus sneller laden en ontladen dan anders mogelijk zou zijn. Bovendien menging voorkomt plaatselijke inhomogeniteiten in de elektrode, die vaste stoffen die de levensduur van de batterij beperkt kan vormen. In bestaande arbeid blijven we de rol van fluïdumstroom bestuderen de positieve elektrode van het vloeibare metaal batterij die ontstaat door thermische en elektromagnetische krachten. Temperatuurgradiënten rijden convectieve stroming door drijfvermogen, en batterij stroom aandrijving stroom door interactie met de geïnduceerd door het beslag magneetveldeny stroming zelf. In experimenten met de hierna beschreven werkwijzen, zijn we stromingen met Reynoldsgetal 50 <Re <200, gerekend vanaf de elektrode diepte en wortel van het gemiddelde kwadratische snelheid waargenomen. Een grondige experimentele karakterisering wordt uitgevoerd en zal de resulterende set gegevens gebruiken om voorspellende batterij modellen bouwen. De focus van dit manuscript is op de experimentele ontwerp en de procedures die nodig zijn om deze gegevens te produceren. Ultrasound velocimetry voorziet het merendeel van de metingen en de testomstandigheden moet zorgvuldig worden gecontroleerd om ultrageluid succes gebruikt in vloeibaar metaal. Hoge temperatuur, chemische activiteit, en elektrische geleidbaarheid moeten allemaal zorgvuldig worden beheerd.
Ten eerste vloeibaar metaal batterijen noodzakelijkerwijs bij hoge temperaturen, omdat zowel metalen en het zout dat hen scheidt moet gesmolten zijn. Een veelbelovende materiaalkeuze die lithium gebruikt als negatieve elektrode, lood-antimoon positieve electrode en een eutectisch mengsel van lithiumzouten als elektrolyt vereist temperaturen rond 550 ° C. Het meten van de stroming van een ondoorzichtige vloeistof bij dergelijke hoge temperaturen is heel moeilijk. Hoge temperatuur ultrageluidtransducers, die de gevoelige elektro-akoestische componenten van de testvloeistof te scheiden met een akoestische golfgeleider aangetoond 15 en gecommercialiseerd. Omdat de omzetters hebben tussenschakeldemping nabij 40 dB, en vanwege de algemene moeilijkheid die bij dergelijke temperaturen, een surrogaat systeem is gekozen eerste studie: vloeibaar metaal batterij kan ook gebruik worden gemaakt van natrium als de negatieve elektrode, eutectische 44% lood 56% bismut (hierna ePbBi) als de positieve elektrode, en een drievoudige eutectische mengsel van natriumzouten (10% natriumjodide, 38% natriumhydroxide, 52% natriumamide) als elektrolyt. Een dergelijke batterij volledig gesmolten boven 127 ° C, waardoor het veel meer vatbaar voor laboratoriumonderzoek. Omdat zij bestaat uit drie vloeibarelagen gescheiden door de dichtheid, is onderworpen aan dezelfde fysica andere vloeibare metaal batterijen. En het is compatibel met gemakkelijk beschikbare ultrasone transducers, die bestand is tegen 230 ° C, omvatten geen golfgeleider verliezen en veel minder kost dan een hoge temperatuur transducers. Deze experimenten vinden doorgaans bij 150 ° C. Bij die temperatuur, ePbBi heeft viscositeit ν = 2,79 x 10 -7 m 2 / sec, thermische diffusie κ = 6,15 x 10 -6 m 2 / sec, en magnetische diffusie η = 0,8591 m 2 / sec, zodanig dat de Prandtl nummer Pr = ν / κ = 4,53 x 10 -2 en zijn magnetische Prandtl nummer is Pm = ν / η = 3,24 x 10 -7.
Hoewel deze lage temperatuur vloeibaar metaal accu chemie maakt stroom studies veel gemakkelijker dan ze in warmere batterijen zou zijn, moet de temperatuur echter zorgvuldig worden beheerd. Omdat het delicate elektro-akoestische apparaten, ultrasound transducers zijn susceptible beschadigd door thermische schok en dus geleidelijk worden verwarmd. Hoogwaardige ultrasone metingen vereisen ook voorzichtig temperatuurregeling. Ultrasound velocimetry werkt als sonar, zoals weergegeven in figuur 1: de transducer een geluidssignaal (hier, de frequentie 8 MHz), luistert dan naar echo. Door het meten van de vluchttijd van de echo, kan de afstand tot de echo lichaam worden berekend, en door meting van de Doppler-verschuiving van de echo, kan een snelheidscomponent van het lichaam ook berekend. In water moet tracer deeltjes worden toegevoegd aan echo's produceren, maar geen tracer deeltjes vereist in vloeibare metalen, een feit dat niet is begrepen in detail, maar wordt meestal toegeschreven aan de aanwezigheid van kleine metaaloxidedeeltjes. Elke meting is een gemiddelde over alle tracer deeltjes in een verhoor volume; in dit werk zijn minimale diameter 2 mm, op een afstand 30 mm van de probe. Hoewel oxidatie kan uiteindelijk duur te beperken experimenten gebruik the werkwijzen hieronder beschreven, hebben we continu gemeten, zolang 8 uur.
Berekening Afstand en snelheid vereist kennis van de geluidssnelheid in de testvloeistof en die snelheid varieert met de temperatuur. Het hier beschreven werk richt zich op stroming in de ePbBi negatieve elektrode, waarbij de geluidssnelheid 1766 m / s bij 150 ° C, 1765 m / s bij 160 ° C en 1767 m / s bij 140 ° C 19. Zo inadequate temperatuurregeling zou systematische fouten te introduceren in de ultrasone metingen. Een inrichting werd gebouwd op de geluidssnelheid in ePbBi meten vinden waarden consistent met de gepubliceerde en aanvaard door de Nuclear Energy Agency 19 (zie hieronder). Tenslotte, aangezien de thermische convectie is de belangrijkste factor van de stroom vloeibaar metaal in batterijen, zowel de gemiddelde temperatuur en het temperatuurverschil tussen de bovenkant en onderkant van de ePbBi elektrode direct invloed waarnemingen. Voor consistente resultaten, precieze thermischeis essentieel.
Dienovereenkomstig wordt de temperatuur continu gemeten met ten minste drie K-type thermokoppels, inloggen de meting daarvan elektronisch met een gecomputeriseerd acquisitieapparaat en een op maat geschreven LabView programma. Het programma controleert ook de voeding die accustroom biedt, via een USB-aansluiting; logt de batterij stroom en spanning; en stuurt triggerpulsen op de ultrasone instrument, zodat de gegevens kunnen worden gesynchroniseerd met de andere metingen. Een systeem is afgebeeld in figuur 2. Warmte wordt geleverd door een op maat gemaakte oven (ook getoond in figuur 2), waarbij twee 500-W industriële weerstanden aangedreven door een relais geschakeld door een proportioneel-integraal-differentiaal bevat (PID) controller. De bodemplaat die batterijcellen ondersteunt is gemaakt van massief aluminium; omdat de thermische geleidbaarheid is een orde van grootte hoger dan de thermische geleidbaarheid van het roestvast steel batterijcel vaartuig en ePbBi deze 19 bevat, de temperatuur van de oven vloer ongeveer uniform is. Bovendien is de aluminium basis fungeert als een pad voor de elektrische stroom die door de elektrode. De elektrische geleidbaarheid is een orde van grootte hoger dan die van roestvrij staal of ePbBi, zodat de spanning van de oven vloer is ongeveer uniform is. Isolerende poten scheiden de uitvalsbasis van de bank top hieronder, het voorkomen van brandwonden en shorts. De zijkanten van de accu vat worden geïsoleerd met silica keramische isolatie, gesneden om het schip nauwkeurig passen, maar laat ruimte voor toegang ultrasound poort van de cel. Tenslotte, een polytetrafluorethyleen (PTFE) klep isoleert de cel boven en houdt de negatieve stroom collector en thermokoppels zijn plaats. Hoewel commercieel verkrijgbare kookplaten de voor deze experimenten temperaturen kunnen bewerkstelligen wordt klantspecifieke oven handhaaft temperatuur met een orde van grootte minder variatie, eennd ook stelt ons in staat om warmte energie direct te meten.
Naast de problemen in verband met de temperatuur, er problemen verbonden aan chemische activiteit. Bij 150 ° C, een ePbBi positieve elektrode chemisch compatibel met vele gangbare materialen. Een natrium negatieve elektrode, maar tast vele materialen, oxideert gemakkelijk, en reageert heftig met vocht. Een lithium negatieve elektrode is ook agressief, vooral omdat op basis van lithium vloeibaar metaal batterijen bij veel hogere temperaturen lopen meestal. Hoewel deze hogere temperatuur systemen buiten de reikwijdte van dit werk veel van dezelfde maatregelen voor het beheer chemische activiteit worden hier gebruikt in deze systemen. Alle experimenten beschreven plaatsvinden in een met argon gevulde handschoenkast die slechts sporen van zuurstof of vocht. De batterij vat is gemaakt van aluminium 304 roestvrij staal, die minimaal aantast zelfs met lithium bij 550 ° C. De thermokoppels en negatieve stroomcollector zijn ook gemaakt van roestvrij staal. De geometrie schip is gekozen om schepen voor de elektrochemische testen van vloeibaar metaal batterijen te passen, om zo goed mogelijk te modelleren van de systemen die worden gecommercialiseerd. Het vat, weergegeven in figuur 2, is cilindrisch met een 88,9 mm binnendiameter en 67 mm diepte. Alle vaatwanden zijn 6,4 mm dik. Het vat verschilt van die waarop eerdere experimenten echter, dat deze een echo-poort. De poort passeert de zijwand langs een horizontale doorsnede van de cilinder en het midden van de poort 6,6 mm boven de vloer vat. De poort is 8 mm in diameter tot een 8 mm ultrasone transducer geschikt en afdichtingen rond de transducer met een swage. In deze experimenten werd het vloeibare metaal elektrode net diep genoeg om de ultrasone transducer, typisch 13 mm bestrijken.
Om de sterke ultrasone signalen te bereiken, vereist een goede akoestische transmissietussen de ultrasone transducer en het fluïdum dat probes (ePbBi). Maximaal akoestisch vermogen wordt overgebracht wanneer de akoestische impedantie van de transductor materiaal en de testvloeistof identiek; wanneer de impedantie verschillen signalen lijden. Het plaatsen van een ultrasone transductor in direct contact met schoon ePbBi (mogelijk gemaakt door de bovenbeschreven poort) biedt volop signaal vaak uren achtereen. Metaaloxiden echter zeer verschillende impedantie, en kunnen ook interfereren met bevochtiging door het veranderen van de oppervlaktespanning. Als de ePbBi hoofdzaak geoxideerd, ultrasone signalen afneemt en snel verdwijnen. Ook een inerte atmosfeer essentieel. Als sporen van zuurstof veroorzaakt enige oxydatie echter, wordt het oppervlak van het metaaloxide magere alvorens ePbBi in de batterij vat.
Tenslotte, deze experimenten huidige uitdagingen door de aanwezigheid van elektrische stroom. Hoewel de stromingen zijn onze centrale wetenschappelijke en technologische interest, ze zijn groot genoeg (30 A) om schade te veroorzaken bij verkeerd gerouteerd. Geaarde thermokoppels zorgen dat schadelijke elektrische stromen niet door de data-acquisitie apparaat of de computer die het ondersteunt, omdat geaarde thermokoppels hebben geen interne elektrische aansluiting van de beschermende omhulsel om ofwel signaal draad. Eveneens is het essentieel om geaarde ultrasone transducers (Signal-Processing SA, TR0805LTH) om te voorkomen zwerfstroom beschadigt de waardevolle ultrasone instrument (Signal-Processing SA, DOP 3010). Zoals eerder vermeld, de bodem van de oven dient om elektrische stroom te geleiden, en voorts elektrisch geïsoleerd van zijn omgeving zijn.
In het ePbBi elektrode stroom veroorzaakt ohmse verwarming mogelijk verstoren van de temperatuur. Zo moet de automatische thermische controle systeem in staat zijn aan te passen aan veranderingen in de warmte-inbreng. Figuur 3 toont hoe de temperatuur van de ePbBi elektrode varieert als curhuur stroomt, en hoe de PID regelaar past compenseren. Handhaving constante temperatuur met grote stromen (50 A = 800 mA / cm) zouden extra koeling vereisen, maar op lagere stroomsterktes realistischer vloeibare metaal batterijen in industriële toepassingen (typisch 17 A = 275 mA / cm 1), de controller in staat ter compensatie van ohmse verwarming ingedrukt temperatuurverschil tot 2 ° C.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. System Setup en Vergadering
- Reinig de ultrasone transducer met isopropanol.
- Laad het dashboardkastje.
- Load benodigde apparatuur en materialen (met inbegrip van echografie transducer, ePbBi, roer stok, en thermokoppels) in het dashboardkastje, volgens de instructies van het dashboardkastje fabrikant om het binnendringen van zuurstof en vocht minimaliseren.
- Houd poreuze materialen onder vacuüm in het dashboardkastje voorkamer voor 12 uur voordat het dashboardkastje.
- Stem de PID-regelaar (alleen de eerste keer).
- Plaats dezelfde hoeveelheid vaste ePbBi in de batterijhouder vat die wordt gebruikt in experimenten (840 g).
- Plaats de oven isolatie rond de batterij vat als deze er nog niet, en leg het deksel bovenop de batterij schip, samen met de negatieve stroom collector en thermokoppels.
- Maak alle elektrische aansluitingen voor thermokoppels en oven vermogen, zoals getoond in Fig
- Initiëren automatische afstemming van de PID-controller, met behulp van 150 ° C als het setpoint. Let op: de details van deze stap zal verschillen, afhankelijk van de fabrikant PID controller en model. De controller hier gebruikte auto-tunes door het beheersen van vier volle thermische cycli van RT op bedrijfstemperatuur, over een cursus van uren.
- Gebruik de pijltoetsen om het setpoint (standaard getoond na het afstemmen van de controller) tot 150 ° C aan te passen.
- Houd de lus knop gedurende 3 sec om de verborgen te starten. Druk vervolgens op de loop toets totdat het scherm controller toont "Tune". Gebruik de pijltjestoetsen om het te veranderen naar YES.
- Plaats een thermokoppel en gebruik het werkstation te monitoren en te loggen temperatuur.
- Zodra auto-tune is voltooid, nemen de Proportioneel, Integral, en Afgeleide parameters die de PID regelaar automatisch met behulp van de controller-interface heeft gekozen, volgens to instructies van de fabrikant.
2. Sound Speed Measurement
- Gebruik de oven voldoende ePbBi smelten voor het experiment ten minste 400 g. Opmerking: vereiste hoeveelheid zal variëren voor verschillende machines en ePbBi smelt bij 125 ° C.
- Indien nodig, verwijder overtollig oxide door het afromen uit de bovenkant van de ePbBi met een roerstokje.
- Plaats een ultrasone transducer in het geluid snelheidsmeting apparaat en draai de swage verbinding om lekkage te voorkomen, steek een thermokoppel en het gebruik van het werkstation te monitoren en te loggen temperatuur.
- Transfer gesmolten metaal om het geluid snelheidsmeting apparaat.
- Leg het geluid snelheidsmeting apparaat op de oven basis en laat het er voor 2 min geleidelijk te verhogen van de temperatuur en thermische schok te voorkomen.
- Bereid je voor op een veilige overdracht door het verwijderen van warmte-gevoelige apparatuur of materialen uit het gebied.
- Voeg kleine amounts gesmolten metaal tegelijk, omdat thermische schok de ultrasone transducer kan beschadigen. Voeg ePbBi totdat de transducer gezicht en micrometer hoofd zijn beiden volledig ondergedompeld.
- Wacht tot de temperatuur stabiel binnen 1 ° C gedurende ten minste 5 minuten voor het begin van de metingen aangezien geluidssnelheid temperatuurafhankelijk.
- Meet ultrasound echo op twee locaties.
- Stel de micrometer tip om een willekeurige, maar bekende locatie. Record ultrasound echo metingen, volgens de instructies van de fabrikant van het instrument.
- Met behulp van de micrometer draaiknop, beweeg de micrometer tip van een bekende afstand. Record ultrasound echo metingen.
- Verwijder het gesmolten metaal van het geluid snelheid meten apparaat en bewaar het op een warmte-tolerante container.
- Om het geluid snelheid, plot echo amplitude als functie van de echo tijd voor elk van de twee metingen te bepalen. Zoek de echo's door het aanbrengen van een Gauss-curveelke echo piek, zoals in Fig ure 4. Bereken geluid snelheid door verplaatsing afstand te delen door het verschil in echo piekmomenten.
3. Ultrasound snelheidsmeting
- Smelt genoeg ePbBi het experiment (840 g) Verwijder overtollig oxide indien nodig. Opmerking: Voor de beste resultaten, gebruik van dezelfde hoeveelheid ePbBi die werd gebruikt voor het afstemmen van de PID-controller.
- Plaats een ultrasone transducer in de accu vat en draai de swage verbinding om lekkage te voorkomen, ervoor te zorgen dat de oven basis is niveau.
- Overdracht gesmolten metaal om de batterij vat.
- Plaats batterij vaartuig op oven basis en laat het er voor 5 min geleidelijk te verhogen van de temperatuur en thermische schok te voorkomen. Bereid je voor op een veilige overdracht door het verwijderen van warmte-gevoelige apparatuur of materialen uit het gebied.
- Voeg kleine hoeveelheden gesmolten metaal tegelijk, omdat de thermische schok ul beschadigentrasound transducer.
- Wacht tot de temperatuur bereikt 150 ° C voor het begin van de metingen aangezien geluidssnelheid temperatuurafhankelijk.
- Beëindig het monteren van het apparaat.
- Plaats de oven isolatie rond de batterij vat als deze er nog niet. Plaats het deksel bovenop de batterij vat, samen met de negatieve stroom collector en thermokoppels. Zorg ervoor dat alles precies en herhaalbaar zijn geplaatst; as kragen werken goed voor dit.
- Maak alle elektrische aansluitingen voor stroom en signalen, zoals getoond in figuur 2B ure. Gebruik een ohmmeter om te controleren of er geen onbedoelde elektrische paden aanwezig zijn, dat wil zeggen, controleren of de elektrische weerstand tussen de negatieve stroom collector en al signaal leidt ten minste 1 M.
- Begin met het maken van metingen.
- Begin logging en monitoring temperatuur, verwarming macht, accuspanning, en de batterijactueel. Let op: Hier werd een werkstation met aangepaste LabView code wordt gebruikt om alle metingen te loggen, met bijbehorende timestamps.
- Pas de echografie instrument instellingen als dat nodig is.
- Zorg ervoor dat het geluid snelheid in te stellen, met behulp van de juiste temperatuur, volgens een geaccepteerd model 19. Voor ePbBi bij 150 ° C, zoals hieronder gebruikt, stel de snelheid op 1760 m / sec.
- Stel de pulsherhalingsfrequentie zodat echo diepten dicht geplaatst zijn (typisch 0,25 mm).
- Stel de gate count zodanig dat de sterke echo van de muur van het schip verschijnt in de laatste paar poorten; het biedt een nuttig sanity check voor probleemoplossing signaalsterkte kwesties.
- Met behulp van instructies van de fabrikant, stelt het instrument voor hardware triggering.
- Begin logging en monitoring snelheid met de echo instrument door het initiëren van triggering van het werkstation. Record vier snelheidsprofielen per seconde voor 30min.
- Stel de batterij stroom tot 5 A, wacht 5 min voor de stroom te stabiliseren, en dan nemen vier snelheidsprofielen per seconde voor 30 min.
- Herhaal stap 3,5 tot 10 A, 15 A, 20 A, 25 A en 30 A.
Opmerking: Vele andere experimentele plannen zijn ook mogelijk, zoals temperatuurschommelingen en gladde veranderingen in stroom. Een sfeer laag in zuurstof en vocht maakt experimenten met een goede kwaliteit van het signaal voor de uren of meer. - Nadat de experimenten zijn voltooid, stopt het inloggen van gegevens en zet de oven. Koppel de elektrische aansluitingen en verwijder de oven deksel. Verwijder het gesmolten metaal uit het vat batterij volgens dezelfde procedures voor veilige overdracht die zijn gebruikt bij het vullen van het vat. Bewaar de gesmolten ePbBi in een hittebestendige houder. Voeg extra argon aan het dashboardkastje; de druk zal dalen als de atmosfeer koelt.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De procedure voor het meten van geluidssnelheid (in detail beschreven) werd aangepast van methoden die Signal-Processing SA. In principe kan geluidssnelheid gemakkelijk worden verkregen door meting van de vluchttijd van een echo van een muur op bekende bereik. Maar juist meten van de daadwerkelijke ligging van het sensoroppervlak is moeilijk, dus in plaats kan men vluchttijd tweemaal meten met behulp van een micrometer om de wand te verplaatsen door een bekende afstand tussen de metingen. Dat verplaatsing afstand, en het verschil in de gemeten tijd van de vlucht, samen opleveren geluid snelheid. De inrichting gebruikt voor het meten geluidssnelheid in deze experimenten wordt getoond in Figuur 4A. Een meting van de geluidssnelheid in ePbBi wordt getoond in figuur 4B. Elke curve toont gemeten echo is een gemiddelde over 98 profielen verspreid over 7,4 sec. Elke echo piek geschikt is om een Gauss-curve (afgebeeld), die gebruik maakt van de vele data punten en dus zoekt de echo muur veel preciezer dan het vinden van een maximum. Het kennen van de echo tijden, en wetende dat de echo muur werd verplaatst 2,54 mm tussen de metingen, de berekende geluid snelheid is 1793 m / sec bij 138 ° C, in redelijke overeenstemming met de door het Agentschap voor Kernenergie 19, dat is 1768 m geaccepteerd waarde / sec. In de onderstaande metingen werd NEA geluid speed gebruikt.
Een ultrasone snelheid sporen, opgenomen zonder stroom in de elektrode wordt getoond in figuur 5A. Hier ruimtelijke coördinatenstelsel heeft zijn oorsprong in het midden van de batterij vat en de transducer aan de negatieve zijde van de oorsprong, zodanig dat positieve snelheden betekenen wegvloeien van de transductor en negatieve snelheden betekenen stroming naar de transducer. Hoewel ultrasone metingen langs een diameter niet geven ons de kennis van de stroming overal, de metingen zijn consistent met een verzameling van convectie rollen, zoals geschetst in figuur 5C.
ve_content "> Op die positief snelheden in de kleuren rood en negatieve snelheden in de kleuren blauw, tijd kan worden uitgezet op de verticale as, de ruimte-tijd plots van de in figuur 6A soort, die temporele variatie van de stroming te brengen. Ook hier is de stroom nul. Zoals uit de verschillende vormen van rode en blauwe gebieden, deze stroom is verstoord en aperiodische, consistent met wat verwacht wordt van turbulente convectie. De gemiddelde stroom is uitgezet in figuur 6B, en een standaarddeviatie wordt ook aangegeven.Tenslotte Figuur 7 toont ultrasone snelheidsmetingen met stroom die door de elektrode (in dit geval, 125 mA / cm). Zoals in meer detail elders 18, convectiecellen neiging om af te stemmen op de magnetische veldlijnen geproduceerd door elektrische stroom, haar georganiseerde. Verhoogde organisatie blijkt bij figuur 7A wordt vergeleken met fig 6A, en het feit dat de stroming stabieler kan worden gekwantificeerd door de standaarddeviatie in de tijd, die kleiner huidige dan zonder. Verhoogde organisatie in aanwezigheid van een magnetisch veld in overeenstemming met eerdere waarnemingen in vloeibaar metaal convectie experimenten 20-22 en 23 theoretische voorspellingen.
Figuur 1. Ultrasound velocimetry overzicht. (A) Een echografie transducer produceert een pieptoon en luistert voor echo. Als een bewegend deeltje (rood) maakt een echo, echo tijd vlucht dt onthult positie van het deeltje, en de Doppler verschuiving df onthult een onderdeel van zijn snelheid. (B), wanneer vele deeltjes aanwezig zijn, een transducer kan een snelheidscomponent op vele plaatsen langs een lijn te meten. (Niet op schaal.)tps: //www.jove.com/files/ftp_upload/52622/52622fig1highres.jpg "target =" _ blank "> Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2. Experimentele setup. (A) De oven montage. Een aluminium plaat ondersteunt het roestvast stalen vat batterij en handhaaft een gelijkmatige temperatuur (aluminium een veel betere geleider dan roestvrij staal). De batterij vat wordt omgeven door silica keramische isolatie voor thermische stabiliteit; extra silica keramische isolatie omhult de hele oven montage. De bovenste vat wordt afgedekt door een deksel dat PTFE thermokoppels en de negatieve stroomgeleider (niet getoond) ondersteunt, zonder elektrische verbinding met het vaartuig, die ook de positieve stroomcollector. Voor de hier beschreven experimenten is de oven gevoed met twee resistieve kachels, elk 500 W. Het ontwerp zorgt voor twee extra kachels te worden opgenomen indien gewenst. (B) Vessel doorsnede. Het vat bevat een dunne laag gesmolten ePbBi, die contact maakt met de negatieve stroom collector. Thermokoppels contact met de ePbBi maken ook. Een PID-regelaar handhaaft systeem temperatuur, en een werkstation controleert accustroom, ultrasone metingen en data-acquisitie. (C) Glovebox setup. De experimenten vinden plaats in een argon gevulde handschoenenkastje. De samengestelde oven zichtbaar net rechts van center, samen met de computer gebaseerde acquisitieapparaat en verwarming controller. De ultrasone instrument berust op de plank boven. (Hier geen transducer is aangesloten.) Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
52.622 / 52622fig3.jpg "/>
Figuur 3. Temperatuurregeling. (A) Temperatuur boven en onderkant van de ePbBi electrode tijdens een experiment. Temperatuurregeling wordt gedemonstreerd door verwarming van de elektrode, het vervolgens aanbrengen van een reeks stroompulsen (B). De oven controller gereageerd door het moduleren van warmtekracht (C). Bij de huidige dichtheden typisch voor batterij (tot 400 mA / cm 2), de temperatuur stabiel is binnen ongeveer 3 ° C. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4. Sound snelheidsmeting. (A) Het schip voor het meten van geluid snelheid werd gebouwd met een echo-poort (rechts) geconfronteerd met een micrometer hoofd (links) die een hoge-amplitude echo's veroorzaakt en kan worden geplaatst met een hoge precisie. (B) twee gemeten echo profielen, elk met een kleinste-kwadraten beste past op een Gauss-curve. Met behulp van de centra van de Gauss past als de reistijden, en wetende dat de muur werd verplaatst 2,54 cm tussen de metingen blijkt dat de snelheid van het geluid is 1.793 m / sec bij 138 ° C. Klik hier om een grotere versie te bekijken van dit cijfer.
Figuur 5. Een echografie snelheid spoor en de interpretatie ervan. (A) In een enkel spoor, de echo instrument maatregelen snelheid op vele locaties (in dit geval, 440) langs de lijn van het zicht van de transducer. Hier is de locatie r mgem eten van het centrum van de beker is de transducer zich aan de linkerkant, en snelheid u <0 betekent stromen naar de transducer, terwijl u> 0 betekent wegvloeien van de transductor. (B) Een schets van de delen van stroming naar en van de transducer. (C) Een schets van een stromingspatroon in overeenstemming met deze metingen. De transducer bevindt zich in de onderste helft van de elektrode. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 6. Ultrasound snelheidsmetingen van een vloeibaar metaal elektrode aangedreven door thermische convectie, zonder elektrische stroom. (A) Radiale snelheid u varieert in ruimte en tijd, met snelheid volgens kleur. Hier r de radial coördinaat en t de tijd. (B) de gemiddelde stroom (uitgezet in zwart) en één standaarddeviatie rond het (grijs) toont dezelfde kenmerken figuur 5.
Figuur 7. Ultrasound snelheidsmetingen van een vloeibaar metaal elektrode aangedreven door thermische convectie, en elektrische stroomdichtheid 125 mA / cm. (A) Radiale snelheid u varieert in ruimte en tijd, met snelheid volgens kleur. Hier r de radiale coördinaat en t de tijd. (B) de gemiddelde stroom (uitgezet in zwart) en één standaarddeviatie rond het (grijs) laat een snellere stroom met minder variatie in de tijd dan bij afwezigheid van stroom (figuur 6). Klik hier om een grotere versie van deze foto Figure.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Ultrasound technieken kunnen snelheidsmetingen produceren honderden of duizenden locaties in een transparante of opake vloeistof, vele malen per seconde. Toegepast op een vloeibaar metaal elektrode ultrageluidstechnieken ondervinden problemen van hoge temperatuur, chemische activiteit en elektrische geleidbaarheid. De werkwijzen voor het overwinnen van deze problemen en het meten van stroming in actieve vloeibaar metaal elektroden zijn beschreven. Ten eerste, een elektrodemateriaal aan dezelfde fysica hoge temperatuur vloeibaar metaal batterijelektroden (550 ° C), maar operationeel bij veel lagere temperaturen (150 ° C), vergemakkelijkt uitdagingen met betrekking tot temperatuur. Een op maat gebouwde moffeloven en worden geregeld dan werd gebruikt om de elektrodetemperatuur steady binnen 2 ° C houden. Om ongewenste chemische activiteit verminderen, alle geëxperimenteerd in een met argon gevulde handschoenkast selecteren en chemisch inerte materialen voor systeemcomponenten (meestal roestvast staal). Voor een optimale ultrasound reactie, transducers worden in direct contact met het vloeibare metaal testvloeistof. En elektrische stromen worden zorgvuldig doorgestuurd naar de grond loops die waardevolle instrumenten kunnen beschadigen.
Echografie velocimetry heeft beperkingen in vloeibare metalen. Standard probes niet geschikt voor temperaturen boven 250 ° C, met uitzondering van het gebruik in vele metalen smelt. Ultrasound velocimetry geen gegevens oplevert wordt zo rijk zijn als die met optische technieken achtige deeltje volgen 24,25 en enkele transducer ultrageluidstechnieken van het soort beschreven meet slechts één component van de snelheid, en slechts langs één lijn. Kenmerken kleiner dan de ultrasone golflengte (209 um ePbBi bij 150 ° C met 8 MHz emissies) kunnen niet worden opgelost. Voor ultrasone metingen in grote systemen, signaal verzwakking is een uitdaging; in ePbBi met 8 MHz-uitstoot, worden problemen verwacht voor afstanden van meer dan 300 mm. Verminderen van de frequentie vermindert demping, maarde kosten van een overeenkomstige verlaging van de resolutie. Grote systemen vereisen ook een lagere sampling rates, sinds de tijd van de vlucht over het systeem is groter. De hier beschreven inrichting kan niet 150 ° C met stroom van 40 A of meer te handhaven.
De huidige methoden kunnen aanzienlijk worden uitgebreid in de toekomst. Integratie aanvullende ultrasone transductoren in de accucel mogelijk zou maken meetsnelheid op meer locaties en / of van meer dan één component van de snelheid. Extra thermokoppels kan meer gedetailleerde informatie over de ruimtelijke variaties van de temperatuur te geven. Hoewel direct contact tussen de ultrasone transducer en de testvloeistof levert sterke signalen, zou zorgvuldig akoestisch ontwerp laten passeren ultrageluid door de vaatwand, waardoor de kans voor thermische of chemische beschadiging van de transducer. Een wand tussen de transducer en de testvloeistof kan worden behandeld of geconditioneerd om de nadelige effecten van verminderingoxide in de testvloeistof. De huidige methoden kunnen ook breed worden toegepast op toepassingen zoals gieten en industriële metalen verwerking. Tot slot willen we ons werk in snelheid metingen van actieve drie lagen vloeibaar metaal batterijen uitbreiden als zij in rekening brengen en ontladen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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
- Kim, H., et al. Liquid metal batteries: Past, present, and future. Chem. Rev. 113 (3), 2075-2099 (2013).
- Bradwell, D. J., Kim, H., Sirk, A. H. C., Sadoway, D. R. Magnesium-antimony liquid metal battery for stationary energy storage. J. Am. Chem. Soc. 134, 1895-1897 (2012).
- Kim, H., et al. Thermodynamic properties of calcium–bismuth alloys determined by emf measurements. Electrochim. Acta. 60 (0), 154-162 (2012).
- Kim, H., Boysen, D. A., Ouchi, T., Sadoway, D. R. Calcium–bismuth electrodes for large-scale energy storage (liquid metal batteries). J. Power Sources. 241 (0), 239-248 (2013).
- Cairns, E. J., Crouthamel, C. E., Foster, A. K., Foster, M. S., Hesson, J. C. Galvanic cells with fused salts. Technical Report ANL-7316. , Argonne National Laboratory. (1967).
- Cairns, E. J., Shimotake, H. High-temperature batteries. Science. 164 (3886), 1347-1355 (1969).
- Bard, A., Faulkner, L. Electrochemical methods: Fundamentals and applications. , 2nd edition, Wiley. New York. 2nd edition (2001).
- Takeda, Y. Development of an ultrasound velocity profile monitor. Nucl. Eng. Des. 126 (2), 277-284 (1991).
- Takeda, Y. Velocity profile measurement by ultrasonic Doppler method. Exp. Therm. Fluid Sci. 10 (4), 444-453 (1995).
- Brito, D., Nataf, H. -C., Cardin, P., Aubert, J., Masson, J. -P. Ultrasonic Doppler velocimetry in liquid gallium. Exp. Fluids. 31, 653-663 (2001).
- Yanagisawa, T., Yamagishi, Y., Takeda, Y. Structure of large-scale flows and their oscillation in the thermal convection of liquid gallium. Phys. Rev. E. 82, 016320 (2010).
- Eckert, S., Gerbeth, G. Velocity measurements in liquid sodium by means of ultrasound Doppler velocimetry. Exp. Fluids. 32 (5), 542-546 (2002).
- Brawn, B. E., Joshi, K., Lathrop, D. P., Mujica, N., Sisan, D. R. Visualizing the invisible: Ultrasound velocimetry in liquid sodium. Chaos. 15, 041104 (2005).
- Takeda, Y., Kikura, H. Flow mapping of the mercury flow. Exp. Fluids. 32 (2), 161-169 (2002).
- Eckert, S., Gerbeth, G., Melnikov, V. I. Velocity measurements at high temperatures by ultrasound Doppler velocimetry using an acoustic wave guide. Exp. Fluids. 35, 381-388 (2003).
- Ueki, Y., et al. High-temperature ultrasonic Doppler velocimetry for lead-lithium flows. Zero-Carbon Energy Kyoto 2011, Green Energy and Technology. Yao, T. , Springer. Japan. 267-272 (2012).
- Eckert, S., Cramer, A., Gerbeth, G. Velocity measurement techniques for liquid metal flows. Magnetohydrodynamics. , Springer. Netherlands. 275-294 (2007).
- Kelley, D. H., Sadoway, D. R. Mixing in a liquid metal electrode. Phys. Fluids. 26 (5), (2005).
- NEA. Handbook on lead-bismuth eutectic alloy and lead properties, materials compatibility, thermal-hydraulics, and technologies. , Nuclear Energy Agency. (2007).
- Fauve, S., Laroche, C., Libchaber, A. Effect of a horizontal magnetic field on convective instabilities in mercury. J. Physique Lett. 42 (21), 455-457 (1981).
- Cioni, S., Ciliberto, S., Sommeria, J. Strongly turbulent Rayleigh-Bénard convection in mercury: Comparison with results at moderate Prandtl number. J. Fluid Mech. 335, 111-140 (1997).
- Burr, U., Müller, U. Rayleigh-Bénard convection in liquid metal layers under the influence of a horizontal magnetic field. J. Fluid Mech. 453, 345-369 (1997).
- Bojarevičs, V., Freibergs, Y., Shilova, E. I., Shcherbinin, E. V. Electrically induced vortical flows. , Kluwer Academic Publishers. Dordrecht. (1989).
- Ouellette, N. T., Xu, H., Bodenschatz, E. A quantitative study of three-dimensional Lagrangian particle tracking algorithms. Am. Exp. Fluids. 40, 301-313 (2006).
- Kelley, D. H., & Ouellette, N. T. Using particle tracking to measure flow instabilities in an undergraduate laboratory experiment. Am. J. Phys. 79, 267-273 (2011).
