Abstract
Ett växande antal elektrokemiska tekniker beroende av vätskeflöde, och ofta att vätskan är ogenomskinlig. Mätning av flödet av en opak vätska är i sig svårare än att mäta flödet av en transparent fluid, eftersom optiska metoder inte är tillämpliga. Ultraljud kan användas för att mäta hastigheten hos en opak vätska, inte bara på isolerade punkter, men på hundratals eller tusentals punkter grupperade längs linjer, med god temporal upplösning. När den appliceras på en flytande metallelektrod, ultraljud Velocimetry innebär ytterligare utmaningar: hög temperatur, kemiska aktivitet och elektrisk ledningsförmåga. Här beskriver vi den experimentella apparater och metoder som övervinner dessa utmaningar och möjliggör mätning av flödet i en flytande metallelektrod, som det leder ström, vid driftstemperatur. Temperaturen regleras inom ± 2 ° C med en proportional-integral-derivata (PID) regulator som driver en specialbyggd ugn. Kemisk aktivitet är människanåldern genom att välja fartygs material noggrant och omsluter experimentuppställning i en argon-fylld handskfacket. Slutligen är oavsiktliga elektriska vägar noggrant förhindras. Ett automatiserat system loggar kontrollinställningarna och experimentella mätningar, med hjälp av hårdvara utlösarsignaler för att synkronisera enheter. Denna apparat och dessa metoder kan producera mätningar som är omöjligt med andra tekniker och tillåta optimering och styrning av elektrokemiska tekniker som flytande batterier metall.
Introduction
Flytande metall batterier är en lovande teknik för att tillhandahålla storskalig energilagring på världsomspännande elnät 1. Dessa batterier har hög energitäthet, hög effekttäthet, lång livslängd, och låg kostnad, vilket gör dem idealiska för grid-skala energilagring 3. Presentation flytande batterier metall till energinät skulle tillåta topp rakning, förbättra stabilisering av elnät, och göra det möjligt för mycket mer utbredd användning av intermittenta förnybara energikällor som sol, vind och tidvattenkraft. Flytande metallbatterier består av två flytande elektroder metall åtskilda av en elektrolyt av smält salt, såsom beskrivs mer i detalj i tidigare arbete ett. Även om många olika kombinationer av metaller och elektrolyt kan resultera i ett arbets flytande metall batteri, principerna för drift förblir desamma. Metallerna väljs så att den är energimässigt gynnsamt för dem att bilda en legering; vilket legerings utsläpp batteriet, och de-legerings avgifter det. Sa-lt skiktet väljs så att det tillåter metalljoner att passera mellan de två elektroderna, men blockerar transport av neutrala specier, därigenom ge elektrokemisk styrning av systemet.
Detta arbete kommer att öka flytande metall batteriteknik genom att kvantifiera och styra masseffekter transport. De metoder som beskrivs här informeras av elektrokemiska metoder som utvecklats för flytande metallbatterier från Sadoway et al. 1-4 liksom tidigare flytande metall batteri arbete på Argonne National Laboratory 5,6, och arbetet med den bredare elektro samhället (Bard och Faulkner 7 ger många relevanta referenser). De metoder som beskrivs här bygger också på tidigare fluiddynamik studier. Ultraljud Velocimetry utvecklades och användes först i vatten 8,9 och har sedan dess använts för flytande metaller inklusive gallium 10,11, natrium 12,13, kvicksilver 14, bly-vismut 15, koppar-tenn 15 </ Sup>, och bly-litium 16, bland annat. Eckert et al. Ger en användbar genomgång av Velocimetry i flytande metaller 17.
Senaste arbete med hjälp av metoder som liknar de som beskrivs här 18 har visat att batteriström kan förbättra masstransport i flytande elektroder metall. Eftersom masstransport i den positiva elektroden är det hastighetsbegränsande steget i laddning och urladdning av flytande batterier metall, därför blandning ger snabbare laddning och urladdning än vad som annars skulle vara möjligt. Dessutom blandning hindrar lokala inhomogeniteter i elektroden, som kan bilda fasta ämnen som begränsar livslängd på ett batteri. I det pågående arbetet fortsätter vi att studera betydelsen av vätskeflödet i den positiva elektroden av den flytande metallen batteri, som uppstår på grund av termiska och elektromagnetiska krafter. Värmegradienter driva konvektivt flöde genom flytkraft, och batteriströmmar driva flödet genom att interagera med de magnetiska fälten inducerade av smeteny strömmar själva. I experiment med de metoder som beskrivs nedan, har vi observerat flöden med Reynolds tal 50 <Re <200, räknat från elektrod djup och root-mean-square hastighet. En grundlig experimentella karakterisering genomförs och kommer att använda den resulterande datamängden för att bygga prediktiva batterityper. Fokus i detta manuskript är på experimentell design och procedurer som krävs för att producera sådana uppgifter. Ultraljud Velocimetry innehåller det mesta av mätningarna, och experimentella betingelser måste kontrolleras noggrant för att kunna använda ultraljuds framgångsrikt i flytande metall. Hög temperatur, kemisk aktivitet och elektrisk ledningsförmåga måste alla hanteras varsamt.
Först, flytande batterier metall nödvändigtvis arbeta vid hög temperatur, eftersom både metaller och saltet som separerar dem måste vara smält. Ett lovande val av material, som använder litium som den negativa elektroden, bly-antimon som den positiva electrampade, och en eutektisk blandning av litiumsalter som elektrolyten, kräver temperaturer runt 550 ° C. Mätning av flödet av en opak fluid vid sådana höga temperaturer är ganska svårt. Hög temperatur ultraljudstransduktorer, som åtskiljer de känsliga elektro-akustiska komponenter från testvätskan med en akustisk vågledare, har visats 15 och kommersialiseras. Emellertid, eftersom omvandlarna har inlänkningsdämpning nära 40 dB, och på grund av den allmänna svårigheten att arbeta vid sådana temperaturer, ett surrogat systemet har bedrivits för initial studie: en flytande metall batteri kan också göras med användning av natrium som den negativa elektroden, eutektisk 44% bly 56% vismut (härefter, ePbBi) som den positiva elektroden, och en trippel eutektisk blandning av natriumsalterna (10% natriumjodid, 38% natriumhydroxid, 52% natrium-amid) som elektrolyt. Ett sådant batteri är helt smält över 127 ° C, vilket gör det mycket mer mottaglig för laboratoriestudie. Eftersom den består av tre flytandeskikt åtskilda av densitet, är det föremål för samma fysik som andra flytande batterier metall. Och det är förenligt med lättillgängliga ultraljudstransduktorer, som är klassade till 230 ° C, innebär inga vågledare förluster, och kostar mycket mindre än hög temperatur givare. Dessa experiment brukar äga rum vid 150 ° C. Vid denna temperatur har ePbBi viskositet ν = 2,79 x 10 -7 m 2 / sek, termisk diffusivitet κ = 6,15 x 10 -6 m2 / sekund, och magnetisk diffusivitet η = 0,8591 m 2 / sek, så att dess Prandtl-tal är Pr = ν / κ = 4,53 x 10 -2 och dess magnetiska Prandtl-tal är Pm = ν / η = 3,24 x 10 -7.
Även om detta låg temperatur flytande metall batterikemi gör flödesstudier mycket lättare än de skulle vara i varmare batterier, måste temperaturen ändå hanteras varsamt. Att vara känsliga elektro-akustiska anordningar, ultraljudsgivare är susceptible för att skada genom termisk chock, och därför måste upphettas gradvis. Högkvalitativ ultraljudsmätningar kräver också reglering noggrann temperatur. Ultraljud Velocimetry fungerar som ekolod, som visas i figur 1: transduktorn piper (här, är frekvensen 8 MHz), lyssnar sedan för ekon. Genom att mäta flygtiden av ekot, kan avståndet till den ekande kroppen beräknas, och genom att mäta dopplerförskjutning av ekot, kan en komponent i kroppens hastighet också beräknas. I vatten, måste spår partiklar tillsättas för att producera ekon, men inga tracerpartiklar krävs i flytande metaller, ett faktum som inte förstås i detalj, men är typiskt tillskrivas närvaron av små metalloxidpartiklar. Varje mätning är ett genomsnitt över alla spårpartiklar i ett förhör volym; i detta arbete, är dess minsta diameter 2 mm, på ett avstånd 30 mm från sonden. Även oxidation kan så småningom begränsa giltighetstiden för experiment, med hjälp av the metoder som beskrivs nedan, vi har gjort mätningar kontinuerligt så länge som 8 timmar.
Beräkning antingen avstånd eller hastighet behöver veta ljudets hastighet i testvätskan, och att hastigheten varierar med temperaturen. Det arbete som beskrivs här fokuserar på flödet i ePbBi negativa elektroden, där ljudhastigheten är 1766 m / s vid 150 ° C, 1765 m / s vid 160 ° C och 1767 m / sek vid 140 ° C 19. Således skulle otillräcklig temperaturreglering införa systematiska fel i mätningarna ultraljud. En anordning konstruerades för att mäta ljudhastigheten i ePbBi, hitta värden som är förenliga med de som publicerats och som godtagits av Nuclear Energy Agency 19 (se nedan). Slutligen, eftersom termisk konvektion är en primär drivkraft för flödet i flytande batterier metall, både medeltemperaturen och temperaturskillnaden mellan toppen och botten av ePbBi elektroden direkt påverkar observationer. För konsekventa resultat, exakt termiskvärdena är nödvändig.
Följaktligen är temperaturen mäts kontinuerligt med åtminstone tre K-typ termoelement, logga sina mätningar elektroniskt med ett datorbaserat ackvisitionsanordningen och en anpassad skrivna LabView program. Programmet styr även strömförsörjningen som ger batteriström via en USB-anslutning; loggar batteri ström och spänning; och sänder triggpulser till ultraljudsinstrument, så att dess data kan synkroniseras med de andra mätningarna. Ett systemdiagram visas i fig 2. Värme tillhandahålls av en specialbyggd ugn (även visad i fig 2), som innehåller två 500-W industriella motstånd som drivs med ett relä omkopplas av en proportional-integral-differential (PID) styrenhet. Bottenplattan som stöder battericeller är gjord av solid aluminium; eftersom dess värmeledningsförmåga är en storleksordning högre än den termiska konduktiviteten hos det rostfria stål battericell kärlet och ePbBi det innehåller 19, är temperaturen hos ugnsgolvet approximativt enhetlig. Dessutom aluminiumbasen fungerar som en bana för de elektriska strömmar som passerar genom elektroden. Dess elektriska ledningsförmåga är också en storleksordning högre än den för rostfritt stål eller ePbBi, så att spänningen hos ugnen golvet är också ungefär likformig. Isolerings ben separera basen från bänk nedan förhindra brännskador och shorts. Sidorna av batterikärlet är isolerade med kiseldioxid keramisk isolering, kapas för att passa kärlet tätt men lämna utrymme för åtkomst till cellens ultraljudsport. Slutligen isolerar en polytetrafluoreten (PTFE) locket cellen från ovan och håller den negativa strömavtagaren och termoelement på plats. Även kommersiellt tillgängliga kokplattor kan uppnå de temperaturer som krävs för dessa experiment, vår specialbyggda ugnen bibehåller temperaturen med en storleksordning mindre variation, ennd också ger oss möjlighet att mäta värmeeffekt direkt.
Utöver utmaningarna i samband med temperatur, det finns utmaningar i samband med kemiska aktivitet. Vid 150 ° C är en ePbBi positiv elektrod kemiskt kompatibelt med många vanliga material. En natrium negativ elektrod, men korroderar många material, oxiderar lätt och reagerar häftigt med fukt. En litium negativa elektroden är också aggressiva, särskilt eftersom litiumbaserade flytande batterier metall brukar köra vid mycket högre temperaturer. Även de högre temperatur system är utanför ramen för detta arbete, många av samma åtgärder för att hantera kemiska aktivitet används här som i dessa system. Alla experiment som beskrivs här ske i en argon-fylld handskbox innehållande endast spårmängder av syre eller fukt. Batterikärlet är tillverkad av legering 304 rostfritt stål, som korroderar minimalt även med litium vid 550 ° C. De termoelement och negativ strömsamlare är också tillverkade av rostfritt stål. Fartyget geometri väljs för att matcha fartyg som används för elektrokemisk testning av flytande batterier metall, för att modellera så nära som möjligt de system som håller på att kommersialiseras. Kärlet, som visas i fig 2, är cylindrisk, med en 88,9 mm innerdiameter och en 67 mm djup. Alla kärlväggar är 6,4 mm tjock. Kärlet skiljer sig från de som används för tidigare experiment, emellertid, genom att den har en ultraljudssport. Porten passerar genom sidoväggen längs en horisontell diameter hos cylindern, och centrum av porten är 6,6 mm ovanför kärlets golv. Hamnen är 8 mm i diameter för att rymma en 8 mm ultraljudsomvandlare, och tätningar runt givaren med en stamp. I dessa experiment är den flytande metallen elektroden precis tillräckligt djup för att täcka ultraljudsomvandlaren, typiskt 13 mm.
För att uppnå en stark ultraljudssignaler, kräver en god akustisk transmissionmellan ultraljudsomvandlaren och vätske det sonder (ePbBi). Maximal akustisk effekt överförs när den akustiska impedansen hos omvandlaren materialet och testvätskan är identiska; när impedanserna skiljer signalerna lida. Att placera en ultraljudsomvandlare i direkt kontakt med rent ePbBi (som möjliggjorts genom porten beskrivits ovan) ger gott signal, ofta i timmar åt gången. Metalloxider har emellertid mycket olika impedans, och kan också störa vätning genom att förändra ytspänningen. Om ePbBi är väsentligen oxiderad, ultraljudssignaler bryts ner och försvinner snart. Återigen är en inert atmosfär väsentlig. Om spårmängder av syre orsaka viss oxidation ändå är ytan av metalloxidskum innan överföring ePbBi i batterikärlet.
Slutligen dessa experiment innebär utmaningar på grund av närvaron av elektriska strömmar. Även om strömmarna är vårt centrala vetenskapliga och tekniska interest, de är tillräckligt (30 A) stor för att orsaka skada om felaktigt dragna. Ojordade termo se till att skadliga elektriska strömmar inte passera genom datainsamlingsenhet eller datorn som stöder det, eftersom ojordade termoelement har ingen intern elektrisk anslutning från skyddshöljet till antingen signalledning. Likaså är det viktigt att använda ojordade ultraljudstransduktorer (signalbehandlings SA, TR0805LTH) för att förhindra läckström från att skada värdefulla ultraljud instrument (signalbehandlande SA, DOP 3010). Såsom tidigare nämnts, basen av ugnen tjänar till att leda elektrisk ström, och måste också vara elektriskt isolerad från dess omgivningar.
I ePbBi elektroden, ström orsakar ohmsk uppvärmning, potentiellt störa temperaturen. Sålunda måste den automatiserade termiska styrsystemet kunna anpassa sig till förändringar i värmetillförseln. Figur 3 visar hur temperaturen hos ePbBi elektroden varierar såsom curhyra rinner genom det, och hur PID-regulatorn justerar för att kompensera. Att upprätthålla jämn temperatur med stora strömmar (50 A = 800 mA / cm) skulle kräva ytterligare kylning, men på lägre strömmar mer realistiska för flytande batterier metall i industriella tillämpningar (typiskt 17 A = 275 mA / cm 1), är den registeransvarige kan för att kompensera för ohmsk uppvärmning och håller temperaturvariation till 2 ° C.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Systeminställningar och montering
- Rengör ultraljudsomvandlare med isopropanol.
- Fyll handskfacket.
- Ladda nödvändig utrustning och material (inklusive ultraljudsomvandlare, ePbBi, uppståndelse pinne, och termoelement) i handskfacket, följa instruktionerna från handskfacket tillverkaren för att minimera inträngning av syre och fukt.
- Håll porösa material under vakuum i handskfacket förrum för 12 timmar före inträdet i handskfacket.
- Tune PID-regulatorn (endast första gången).
- Placera samma kvantitet fast ePbBi i batterikärlet som kommer att användas i försök (840 g).
- Placera ugnen isoleringen runt batteriet fartyg om det inte redan står där, och placera locket ovanpå batterikärlet, tillsammans med den negativa strömavtagaren och termoelement.
- Gör alla elektriska anslutningar för termoelement och ugn makt, som visas i figur
- Initiera automatisk inställning av PID-regulator, med hjälp av 150 ° C som börvärde. Obs: detaljerna i detta steg kommer att variera, beroende på PID-regulator tillverkare och modell. Regulatorn används här auto-låtar genom att styra fyra fulla cykler från RT till arbetstemperatur, under loppet av några timmar.
- Använd piltangenterna för att justera börvärdet (visas som standard efter avstämning kontrollenheten) till 150 ° C.
- Tryck och håll nere slinga för 3 sekunder för att komma in i dolda slingan. Tryck sedan på knappen slingan tills kontrollenhetens skärm visar "Tune". Använd piltangenterna för att ändra den till YES.
- Sätt ett termoelement och använda arbetsstationen för att övervaka och logga temperatur.
- När auto-tune är klar, registrera Proportionella, Integral, och derivatinstrument parametrar som PID-regulatorn automatiskt har valt med hjälp av kontrollergränssnitt, enligt to tillverkarens instruktioner.
2. Ljud Hastighet Mätning
- Använd ugnen för att smälta tillräckligt ePbBi för experimentet, åtminstone 400 g. Obs: erforderliga mängden kommer att variera för olika utrustning och ePbBi smälter vid 125 ° C.
- Om det är nödvändigt, avlägsna överskott av oxiden genom att skumma den från den övre ytan av den ePbBi med användning av en omrörningsstav.
- Sätt en ultraljudsomvandlare i ljudhastigheten mätanordningen och dra åt stamp anslutning för att förhindra läckage, sedan in ett termoelement och använda arbetsstationen för att övervaka och logga temperatur.
- Överför smält metall till ljudhastighetsmätningsanordningen.
- Placera ljudhastighetsmätanordningen på ugnens bas och lämna den där under 2 min för att gradvis öka temperaturen och undvika termisk chock.
- Förbered dig på en säker överföring genom att ta bort värmekänslig utrustning eller material från området.
- Lägg små amounts av smält metall i taget, eftersom värmechock kan skada ultraljudsomvandlaren. Lägg ePbBi tills givaren ansikte och mikrometer huvud båda helt under vatten.
- Vänta tills temperaturen förblir stabil inom 1 ° C under minst 5 minuter innan du börjar mätningar, eftersom ljudhastigheten beroende på temperatur.
- Mät ultraljud ekar på två ställen.
- Ställ mikrometer tips till en godtycklig men känd plats. Spela ultraljud eko mätningar, efter instruktionerna från instrumenttillverkaren.
- Med hjälp av mätklockan flyttar mikrometer spetsen av en känd sträcka. Spela ultraljuds eko mätningar.
- Ta bort den smälta metallen från ljudhastighetsmätning enhet och förvara den på en värmetålig behållare.
- För att bestämma ljudhastigheten, tomt ekoamplituden såsom funktion av ekotiden för var och en av de båda mätningarna. Leta reda på ekon genom att montera en Gauss kurvatill varje eko topp, som i figur ure 4. Beräkna ljudhastighet genom att dividera förskjutningssträckan genom skillnaden i eko högtrafik.
3. Ultraljud hastighetsmätning
- Smält nog ePbBi för experimentet (840 g), avlägsnande av överskott oxid vid behov. Obs: För bästa resultat, använd samma mängd ePbBi som användes för att ställa in PID-regulatorn.
- Sätt en ultraljudsomvandlare i batterikärlet och dra åt stamp anslutning för att förhindra läckage, se till att ugnen basen är nivå.
- Överför smält metall till batterikärlet.
- Placera batteri fartyg på ugnen bas och lämna den där i 5 minuter för att gradvis öka temperaturen och undvika termisk chock. Förbered dig på en säker överföring genom att ta bort värmekänslig utrustning eller material från området.
- Tillsätta små mängder av smält metall vid en tidpunkt, eftersom värmechock kan skada ultrasound transduktor.
- Vänta tills temperaturen når 150 ° C innan mätningar, eftersom ljudhastigheten beroende på temperatur.
- Avsluta monteringen av apparaten.
- Placera ugnen isoleringen runt batteriet fartyg om det inte redan står där. Placera locket ovanpå batterikärlet, tillsammans med den negativa strömavtagaren och termoelement. Se till att alla är placerade exakt och repeterbart; axeln kragar fungerar bra för detta.
- Gör alla elektriska anslutningar för både ström och signaler, som visas i figur ure 2B. Använd en ohmmeter för att kontrollera att inga oavsiktliga elektriska banor är närvarande, det vill säga kontrollera att det elektriska motståndet mellan den negativa strömavtagaren och all signal leder är minst 1 MQ.
- Börja göra mätningar.
- Börja loggning och temperaturövervakning, värmare ström, batterispänning och batteriström. Obs: Här var en arbetsstation som kör anpassad LabView kod som används för att logga alla mätningar med motsvarande tidsstämplar.
- Justera inställningarna för ultraljudsinstrument som behövs.
- Var noga med att ställa in ljudhastigheten, med hjälp av lämplig temperatur, enligt en accepterad modell 19. För ePbBi vid 150 ° C som används nedan, ställa in hastigheten till 1760 m / sek.
- Justera pulsupprepningsfrekvensen så att echo djup ligger nära varandra (typiskt 0,25 mm).
- Justera grindekvivalenter så att den starka ekot från den bortre väggen av kärlet visas i de senaste portarna; det ger en användbar sanity check för felsökning signalstyrka frågor.
- Använda instruktionerna från tillverkaren, ställer instrumentet för hårdvara triggning.
- Börja loggning och övervakning hastighet med ultraljudsinstrumentet genom att initiera trigg från arbetsstationen. Spela fyra hastighetsprofiler per sekund för 30min.
- Ställ batteriströmmen till 5 A, vänta 5 minuter för flödet stabiliseras, och sedan spela in fyra hastighetsprofiler per sekund under 30 minuter.
- Upprepa steg 3,5 för 10 A, 15 A, 20 A, 25 A, och 30 A.
Obs: Många andra experimentella planer är också möjliga, inklusive temperaturvariationer och mjuka förändringar i nuvarande. En atmosfär låg syre och fukt gör experiment med god signalkvalitet för timmar eller mer. - När försöken är klara, sluta logga uppgifter och stäng av ugnen. Koppla elektriska anslutningar och ta bort ugnen locket. Avlägsna den smälta metallen från batterikärlet, med användning av samma förfaranden för säker överföring som användes vid fyllning av kärlet. Förvara den smälta ePbBi i en värmetolerant behållare. Lägg extra argon till handskfack; dess tryck kommer att sjunka som dess atmosfär svalnar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Förfarandet för mätning av ljudhastigheten (beskriven i detalj ovan) anpassades från metoder som används av signalbehandlings SA. I princip kan ljudhastighet lätt erhållas genom mätning av flygtiden för ett eko från en vägg på kända intervallet. Men exakt mäta den effektiva placeringen av givarhuvudet är svårt, så i stället kan man mäta flygtiden två gånger, med användning av en mikrometer för att förskjuta väggen genom ett känt avstånd mellan mätningarna. Det förskjutningssträckan, och skillnaden i den uppmätta tiden av flyg, tillsammans ge ljudhastigheten. Den apparat som används för mätning av ljudhastigheten i dessa experiment visas i fig 4A. En mätning av ljudhastighet i ePbBi visas i fig 4B. Varje kurva som visar uppmätta ekot är ett genomsnitt över 98 profiler som spänner över 7,4 sek. Varje eko topp är lämplig att en Gauss-kurva (visad), som använder sig av många datapunkter och därför lokaliserar ekande väggen mycket mer exakt än att hitta en enda maximum. Genom att känna till eko gånger och visste att det ekande vägg försköts 2,54 mm mellan mätningarna, är den beräknade ljudhastigheten 1793 m / s vid 138 ° C, i rimlig överenskommelse med det värde som godtagits av Nuclear Energy Agency 19, vilket är 1.768 m / sek. I mätningarna nedan, var NEA ljudhastighet används.
En ultraljudshastighet spår, spelas in utan ström i elektroden, visas i figur 5A. Här den rumsliga koordinatsystemet har sitt ursprung i centrum av batterikärlet, och omvandlaren på den negativa sidan av ursprunget, så att positiva hastigheter betyder strömma bort från omvandlaren, och negativa hastigheter betyder flöde mot givaren. Även ultraljudsmätningar längs en diameter inte ge oss kunskap om flödet överallt, mätningarna är förenliga med en samling av konvektion rullar, som skisseras i figur 5C.
ve_content "> Genom att representera positiva hastigheter i olika nyanser av rött och negativa hastigheter i olika nyanser av blått, tid kan ritas på den vertikala axeln, för att göra rumtiden tomter av det slag som visas i figur 6A, som förmedlar tidsmässig variation av flödet. Även i detta fall är den aktuella noll. Såsom är uppenbart från de olika formerna av röda och blå regioner, är detta flöde oordnade och aperiodiska, i överensstämmelse med vad som förväntas av turbulent konvektion. Den genomsnittliga flödes plottas i figur 6B, och en standardavvikelse är också indicerat.Slutligen, Figur 7 visar ultraljudshastighetsmätningar med ström som rinner genom elektroden (i detta fall, 125 mA / cm). Såsom beskrivs mer i detalj på annat ställe 18, konvektionsceller tenderar att inriktas med de magnetiska fältlinjerna som produceras av elektrisk ström, att organisera flödet. Ökad organisation är uppenbar när Figur 7A jämförs med figur 6A, och det faktum att flödet är stadigare kan kvantifieras med standardavvikelsen över tiden, som är mindre med ström än utan. Ökad organisation i närvaro av ett magnetiskt fält är i överensstämmelse med tidigare observationer i flytande metall konvektion experiment 20-22 och teoretiska förutsägelser 23.
Figur 1. Ultraljud Velocimetry översikt. (A) En ultraljudsomvandlare framställer ett pip och lyssnar efter ekon. Om en rörlig partikel (röd) gör ett eko, eko flygtid dt visar partikelns position och dopplerskift df avslöjar en del av dess hastighet. (B) När många partiklar är närvarande, kan en omvandlare mäta en hastighetskomponent på många ställen längs en linje. (Inte för att skala.)TPS: //www.jove.com/files/ftp_upload/52622/52622fig1highres.jpg "target =" _ blank "> Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2. Försöksuppställning. (A) Ugnen enheten. En aluminiumplatta stöder rostfritt stål batterikärl och upprätthåller en jämn temperatur (aluminium är en mycket bättre ledare än rostfritt stål). Batterikärlet är omgiven av kiseldioxid keramisk isolering för termisk stabilitet; ytterligare kiseldioxid keramisk isolering omsluter hela ugnen enheten. Kärlet topp är täckt av ett PTFE-lock som stöder termoelement samt den negativa strömavtagaren (ej visad), utan att göra en elektrisk anslutning till kärlet, som också är den positiva strömkollektorn. För de experiment som beskrivs här, är ugnen drivs med två resistiva värmare, varje 500 W. Designen möjliggör ytterligare två värmare som skall ingå om så önskas. (B) Fartygs tvärsnitt. Kärlet innehåller ett tunt skikt av smält ePbBi, som kontaktar det negativa strömkollektorn. Termo gör också kontakt med ePbBi. En PID-regulator upprätthåller systemtemperaturen, och en arbetsstation kontrollerar batteriström, ultraljudsmätningar, och datainsamling. (C) Handskfack setup. Experiment äga rum i en argon-fylld handskfacket. Den hopsatta ugnen är synlig precis till höger om centrum, tillsammans med den datorbaserade ackvisitionsanordningen och värmare styrenhet. Ultraljuds instrumentet vilar på hyllan ovanför. (Här ingen givare är ansluten.) Klicka här för att se en större version av denna siffra.
52.622 / 52622fig3.jpg "/>
Figur 3. Temperaturreglering. (A) Temperatur vid toppen och botten av ePbBi elektroden under ett experiment. Temperaturreglering demonstreras genom upphettning av elektroden, därefter applicering av en serie av strömpulser (B). Ugnen controller reagerade genom att modulera värmeeffekt (C). Vid strömtätheter typiska för batteridrift (upp till 400 mA / cm2), är temperaturen stabil inom ca 3 ° C. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4. Ljudhastighetsmätning. (A) Fartyget för mätning ljudhastighet byggdes med ett ultraljud-port (höger) inför en mikrometer huvud (vänster) som orsakar hög amplitud ekon och kan placeras med hög precision. (B) Två uppmätta eko profiler, alla med minsta kvadrat bäst passar till en Gauss kurva. Med hjälp av centra i Gauss passar som restider, och att veta att väggen flyttades 2,54 cm mellan mätningarna, har det visat sig att ljudets hastighet är 1793 m / s vid 138 ° C. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 5. En ultraljudshastighet spår och dess tolkning. (A) i ett enda spår, ultraljud Instrumentet mäter hastigheten på många platser (i detta fall, 440) längs linjen synhåll för givaren. Här platsen r är measured från mitten av skålen är omvandlaren belägen vid vänster, och hastighet U <0 betecknar flyta mot givaren, medan u> 0 betecknar strömma bort från omvandlaren. (B) En skiss av regioner av flödes mot och bort från omvandlaren. (C) En skiss av ett flödesmönster som överensstämmer med dessa mätningar. Givaren ligger i den nedre halvan av elektroden. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6. Ultraljud hastighetsmätningar av en flytande metall-elektrod drivs av termisk konvektion, utan elektrisk ström. (A) Radiell hastighet u varierar i både rum och tid, med hastighet som anges i färg. Här r är radial samordna och t tiden. (B) Den genomsnittliga flödet (inprickad i svart) och en standardavvikelse runt det (grå) visar liknande funktioner till fig 5.
Figur 7. Ultraljud hastighetsmätningar av en flytande metall-elektrod drivs av termisk konvektion och elektrisk strömtäthet 125 mA / cm ^. (A) Radiell hastighet u varierar i både rum och tid, med hastighet som anges i färg. Här är r den radiella koordinaten och t tiden. (B) Den genomsnittliga flödet (inprickad i svart) och en standardavvikelse runt det (grå) visar ett snabbare flöde med mindre variation i tiden än i frånvaro av ström (Figur 6). Klicka här för att se en större version av denna Figure.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Ultraljudstekniker kan producera hastighetsmätningar på hundratals eller tusentals platser i en transparent eller opak vätska, många gånger per sekund. Tillämpas på en flytande metallelektrod, ultraljudstekniker möter utmaningar med hög temperatur, kemisk aktivitet, och elektrisk ledningsförmåga. Metoderna för att övervinna dessa utmaningar och mäta flödet i aktiva flytande elektroder metall har beskrivits. Först ett elektrodmaterial omfattas av samma fysik som hög temperatur flytande metall batterielektroder (550 ° C) men operativa vid mycket lägre temperaturer (150 ° C), underlättar utmaningar i samband med temperaturen. En specialbyggd ugn och trimmad styrsystem användes för att hålla elektrodtemperaturen stadigt inom 2 ° C. För att minska oönskad kemisk aktivitet, alla experiment sker i en argon-fylld handskfacket och välj kemiskt inerta material för systemkomponenter (ofta rostfritt stål). För optimal ultraljudssvar, transducers är placerade i direkt kontakt med den flytande metallen testvätskan. Och elektriska strömmar dirigeras noga för att undvika jordslingor som kan skada värdefulla instrument.
Ultraljud Velocimetry har begränsningar i flytande metaller. Standard prober inte klassade för temperaturer över 250 ° C, med undantag för deras användning i många metall smälter. Ultraljud Velocimetry inte producerar datamängder så rika som de som finns tillgängliga med hjälp av optiska tekniker som partikel spårning 24,25, och enda givare ultraljudsteknik av det slag som beskrivs här mäter endast en komponent av hastigheten, och bara längs en linje. Funktioner mindre än ultraljuds våglängd (209 nm i ePbBi vid 150 ° C med 8 MHz utsläpp) kan inte lösas. För ultraljudsmätningar i stora system, är signaldämpning en utmaning; i ePbBi med utsläpp 8 MHz, är svårigheter förväntas avstånd större än 300 mm. Att minska frekvensen minskar dämpning, menkostnaden för en motsvarande minskning i upplösning. Stora system kräver också lägre samplingsfrekvenser, eftersom flygtiden över systemet är större. Och anordningen som beskrivs här inte kan bibehålla 150 ° C med strömmar på 40 A eller mer.
De föreliggande metoderna kan expanderas väsentligen i framtiden. Införliva ytterligare ultraljudomvandlare i battericellen skulle möjliggöra mätning hastigheten vid fler platser och / eller mätning av mer än en komponent av hastigheten. Ytterligare termoelement skulle kunna ge mer detaljerad information om rumsliga temperaturvariationer. Även direktkontakt mellan ultraljudsomvandlaren och testfluiden ger starka signaler, kan noggrann akustisk design möjliggör passerar ultraljud genom kärlväggen, vilket minskar möjligheten för termisk eller kemisk skada givaren. En vägg mellan omvandlaren och testvätskan kan också behandlas eller konditioneras för att minska de negativa effekterna avoxid i testvätskan. Föreliggande metoder kan också tillämpas i stort sett på ansökningar som gjutning och industrimetaller. Slutligen kommer vi att utöka vårt arbete i hastighetsmätning av aktiva tre lager flytande metall batterier som de ladda upp och ladda.
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.
- 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.
- 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).
