Abstract
Un número creciente de tecnologías electroquímicas depende de flujo de fluido, y con frecuencia que el líquido es opaco. Medir el flujo de un fluido opaco es inherentemente más difícil que medir el flujo de un fluido transparente, ya que los métodos ópticos no son aplicables. El ultrasonido puede ser usado para medir la velocidad de un fluido opaco, no sólo en puntos aislados, pero a cientos o miles de puntos dispuestos a lo largo de líneas, con buena resolución temporal. Cuando se aplica a un electrodo de metal líquido, velocimetría ultrasonido implica retos adicionales: alta temperatura, la actividad química y conductividad eléctrica. Aquí se describe el aparato y los métodos que superar estos desafíos y permiten la medición de flujo en un electrodo de metal líquido, ya que conduce la corriente, a temperatura de funcionamiento experimental. La temperatura se regula dentro de ± 2 ° C por medio de un controlador Proporcional-Integral-Derivativo (PID) que los poderes de un horno hecha a la medida. Actividad química es el hombreenvejecido eligiendo materiales de buques con cuidado y que encierra el montaje experimental en una caja de guantes de argón-llenado. Por último, trayectorias eléctricas no deseadas son cuidadosamente prevenidos. Un sistema automatizado registra ajustes de control y mediciones experimentales, utilizando señales de disparo de hardware para sincronizar dispositivos. Este aparato y estos métodos pueden producir mediciones que son imposibles con otras técnicas, y permitir la optimización y el control de las tecnologías electroquímicas como las baterías de metal líquido.
Introduction
Baterías de metal líquido son una tecnología prometedora para proporcionar almacenamiento de energía a gran escala en las redes eléctricas de todo el mundo 1. Estas baterías ofrecen una alta densidad de energía, alta densidad de potencia, largo ciclo de vida, y de bajo costo, lo que es ideal para el almacenamiento de energía a escala de malla 3. Presentación de las baterías de metal líquido a la red de energía permitiría pico de afeitar, mejorar la estabilidad de la red y permitir el uso más generalizado de las fuentes renovables intermitentes como la solar, eólica y mareomotriz. Baterías de metal líquido se componen de dos electrodos metálicos líquidos separados por un electrolito de sal fundida, tal como se describe en mayor detalle en el trabajo previo 1. Aunque muchas combinaciones diferentes de metales y electrolitos pueden resultar en una batería de metal líquido de trabajo, los principios de funcionamiento siguen siendo los mismos. Los metales se eligen de manera que es energéticamente favorable para ellos para formar una aleación; por tanto, de aleación descarga la batería, y los cargos de-aleación de TI. El salt capa se elige de manera que permite el paso de iones metálicos entre los dos electrodos, pero bloquea el transporte de especies neutras, proporcionando así el control electroquímico del sistema.
Este trabajo avanza la tecnología de baterías de metal líquido mediante la cuantificación y control de los efectos de transporte masivo. Los métodos descritos aquí son informados por métodos electroquímicos desarrollados para las baterías de metal líquido por Sadoway et al. 1-4, así como a principios de trabajo de la batería de metal líquido a Argonne National Laboratory 5,6, y el trabajo de la comunidad más amplia electroquímico (Bard y Faulkner 7 proporcionar muchas referencias pertinentes). Los métodos descritos aquí también se basan en anteriores estudios de dinámica de fluidos. Ultrasonido velocimetría se desarrolló y se utilizó por primera vez en el agua 8,9 y desde entonces se ha aplicado a los metales líquidos incluyendo galio 10,11, 12,13 de sodio, mercurio 14, plomo y bismuto 15, cobre y estaño 15 </ Sup>, y plomo-litio 16, entre otros. Eckert et al. Proporcionar una revisión útil de velocimetría en metales líquidos 17.
Métodos de trabajo utilizando recientes similares a las descritas aquí 18 ha demostrado que las corrientes de la batería pueden mejorar el transporte masivo en electrodos de metal líquido. Debido a que el transporte de masa en el electrodo positivo es el paso limitante de la velocidad en la carga y descarga de las baterías de metal líquido, mezcla, por tanto, permite la carga y la descarga más rápida de lo que sería posible. Además de mezcla impide inhomogeneidades locales en el electrodo, que puede formar sólidos que limitan el ciclo de vida de una batería. En los trabajos en curso, continuamos estudiando el papel del flujo de fluido en el electrodo positivo de la batería de metal líquido, que surge debido a fuerzas térmicas y electromagnéticas. Los gradientes térmicos en coche flujo convectivo a través de flotabilidad, y corrientes de la batería en coche flujo mediante la interacción con los campos magnéticos inducidos por el bateadorY corrientes sí mismos. En experimentos usando los métodos descritos a continuación, hemos observado flujos con número de Reynolds 50 <Re <200, calculado a partir de la profundidad del electrodo y la velocidad de la raíz cuadrada media. Se está realizando una caracterización minuciosa experimental y utilizará el conjunto de datos resultante para construir modelos predictivos de la batería. El objetivo de este manuscrito es en el diseño y procedimientos necesarios para producir tales datos experimentales. Ultrasonido velocimetría proporciona la mayor parte de las mediciones, y las condiciones experimentales debe ser controlada cuidadosamente con el fin de utilizar el ultrasonido con éxito en metal líquido. Alta temperatura, la actividad química y conductividad eléctrica deben todos ser manejados con cuidado.
En primer lugar, las baterías de metal líquido operan necesariamente a alta temperatura, debido a que ambos metales y la sal que los separa deben ser fundido. Una opción prometedora de materiales, que utiliza litio como el electrodo negativo, el plomo-antimonio como el elec positivoelectrodo, y una mezcla eutéctica de sales de litio como electrolito, requiere temperaturas alrededor de 550 ° C. La medición del flujo de un fluido opaco a temperaturas tan altas es bastante difícil. Transductores de ultrasonido de alta temperatura, que separan los componentes electro-acústica delicados desde el fluido de ensayo con una guía de ondas acústicas, se han demostrado 15 y comercializado. Sin embargo, debido a que los transductores tienen pérdida de inserción cerca de 40 dB, y debido a la dificultad general de trabajar a tales temperaturas, un sistema sustituto ha sido elegido para el estudio inicial: una batería de metal líquido también puede hacerse usando sodio como el electrodo negativo, eutéctica 44% de plomo 56% de bismuto (en lo sucesivo, ePbBi) como el electrodo positivo, y una mezcla eutéctica de triple de sales de sodio (10% de yoduro de sodio, 38% de hidróxido sódico, 52% de amida de sodio) como el electrólito. Una batería de este tipo es totalmente fundido por encima de 127 ° C, lo que es mucho más susceptible de estudio de laboratorio. Debido a que se compone de tres líquidocapas separadas por densidad, que está sujeta a la misma física que otras baterías de metal líquido. Y es compatible con los transductores de ultrasonido de fácil acceso, que están clasificados a 230 ° C, implican pérdidas de guía de ondas, y cuestan mucho menos que los transductores de alta temperatura. Estos experimentos se llevan a cabo normalmente a 150 ° C. A esa temperatura, ePbBi tiene viscosidad ν = 2,79 x 10 -7 m 2 / seg, difusividad térmica κ = 6,15 x 10 -6 m 2 / seg, y la difusividad magnética η = 0,8591 m 2 / seg, de tal manera que su número de Prandtl es Pr = ν / κ = 4,53 x 10 -2 y su número de Prandtl magnético es Pm = ν / η = 3,24 x 10 -7.
Aunque esta baja temperatura química de la batería de metal líquido hace estudios de flujo mucho más fácil de lo que serían en baterías más calientes, la temperatura, sin embargo, debe ser manejado con cuidado. Siendo dispositivos electroacústicos delicados, transductores de ultrasonido son susceptible dañar por choque térmico, y por lo tanto debe ser calentado gradualmente. Mediciones de ultrasonido de alta calidad también requieren una cuidadosa regulación de la temperatura. Ultrasonido velocimetría funciona como sonar, como se muestra en la Figura 1: El transductor emite un pitido (aquí, la frecuencia es de 8 MHz), entonces la escucha de ecos. Al medir el tiempo de vuelo del eco, la distancia al cuerpo haciendo eco se puede calcular, y midiendo el desplazamiento Doppler del eco, un componente de la velocidad del cuerpo también se puede calcular. En el agua, se deben agregar las partículas trazadoras para producir ecos, pero no hay partículas trazadoras son necesarios en los metales líquidos, un hecho que no se entiende en detalle, pero por lo general se atribuye a la presencia de partículas de óxido de metal pequeñas. Cada medida es la media de todas las partículas trazadoras en un volumen de interrogación; en este trabajo, su diámetro mínimo es de 2 mm, a una distancia de 30 mm de la sonda. Aunque la oxidación puede llegar a limitar la duración de los experimentos, utilizando THmétodos e describen a continuación, hemos realizado mediciones de forma continua durante todo el tiempo de 8 horas.
Cálculo de distancia o velocidad requiere conocer la velocidad del sonido en el fluido de ensayo, y que la velocidad varía con la temperatura. El trabajo que se describe aquí se centra en el flujo en el electrodo negativo ePbBi, donde la velocidad del sonido es de 1.766 m / seg a 150 ° C, 1765 m / seg a 160 ° C y 1767 m / seg a 140 ° C 19. Por lo tanto inadecuado control de temperatura introduciría errores sistemáticos en las mediciones de ultrasonido. Un dispositivo fue construido para medir la velocidad del sonido en ePbBi, la búsqueda de valores coherentes con los publicados y aceptados por la Agencia de Energía Nuclear de 19 (ver más abajo). Finalmente, puesto que la convección térmica es un conductor primario de flujo en baterías de metal líquido, tanto la temperatura media y la diferencia de temperatura entre la parte superior e inferior del electrodo ePbBi afectar directamente observaciones. Para obtener resultados consistentes, precisas térmicacontrol es esencial.
En consecuencia, la temperatura se mide continuamente con al menos tres termopares de tipo K, registrando sus mediciones electrónicamente con un dispositivo de adquisición basado en ordenador y un programa personalizado LabView-escrito. El programa también controla la fuente de alimentación que proporciona corriente de la batería, a través de una conexión USB; registra la corriente de la batería y la tensión; y envía pulsos de disparo para el instrumento de ultrasonido, de modo que sus datos se pueden sincronizar con las otras mediciones. Un diagrama de sistema se muestra en la Figura 2. El calor es proporcionado por un horno construido a medida (también se muestra en la Figura 2), que contiene dos elementos calefactores industriales 500-W accionados por un relé de conmutación por a-integral-diferencial proporcional (PID) controlador. La placa base que soporta elementos de la batería es de aluminio sólido; porque su conductividad térmica es un orden de magnitud más alta que la conductividad térmica de la st inoxidablerecipiente de pilas anguila y la ePbBi que contiene 19, la temperatura del suelo del horno es aproximadamente uniforme. Además, la base de aluminio se dobla como un camino para que las corrientes eléctricas que pasan a través del electrodo. Su conductividad eléctrica es también un orden de magnitud mayor que la de acero inoxidable o ePbBi, por lo que la tensión de la piso del horno es también aproximadamente uniforme. Patas aislantes separan la base del banco superior abajo, evitando quemaduras y pantalones cortos. Los lados de la nave de la batería están aislados con aislamiento cerámico de sílice, cortar para ajustarse a la vasija de cerca sino dejad lugar a acceder a puerto ecografía de la célula. Finalmente, un politetrafluoroetileno (PTFE) tapa aísla la célula desde arriba y mantiene el colector de corriente negativo y termopares en su lugar. Aunque placas calientes disponibles comercialmente pueden alcanzar las temperaturas requeridas para estos experimentos, nuestro horno construido a medida mantiene la temperatura con un orden de magnitud menor variación, unaTambién nd nos permite medir la energía de calor directamente.
Además de los retos asociados con la temperatura, hay desafíos asociados con la actividad química. A 150 ° C, un electrodo positivo ePbBi es químicamente compatible con muchos materiales comunes. Un electrodo negativo de sodio, sin embargo, se corroe muchos materiales, se oxida fácilmente, y reacciona vigorosamente con la humedad. Un electrodo negativo de litio también es agresivo, sobre todo porque las baterías de metal líquido a base de litio funcionan típicamente a temperaturas mucho más altas. Aunque los sistemas de mayor temperatura están fuera del alcance de este trabajo, muchas de las mismas medidas para la gestión de la actividad química se utilizan aquí como en esos sistemas. Todos los experimentos descritos aquí se llevan a cabo en una caja de guantes llena de argón que contiene sólo trazas de oxígeno o humedad. El recipiente de la batería está hecha de aleación de acero inoxidable 304, que corroe mínimamente incluso con litio a 550 ° C. Los termopares y corriente negativacolector también están hechos de acero inoxidable. La geometría buque se elige para que coincida con los buques utilizados para la prueba electroquímica de baterías de metal líquido, para modelar lo más cerca posible de los sistemas que están siendo comercializados. El recipiente, que se muestra en la Figura 2, es cilíndrica, con un diámetro interior 88,9 mm y una profundidad de 67 mm. Todas las paredes de los vasos son de 6,4 mm de espesor. El recipiente difiere de los utilizados para los experimentos anteriores, sin embargo, en que tiene un puerto de ultrasonido. El puerto pasa a través de la pared lateral a lo largo de un diámetro horizontal del cilindro, y el centro del puerto es 6,6 mm por encima del suelo del vaso. El puerto es de 8 mm de diámetro para dar cabida a un transductor de ultrasonidos 8 mm, y los sellos de todo el transductor con una estampación. En estos experimentos, el electrodo de metal líquido es sólo lo suficientemente profundo para cubrir el transductor de ultrasonidos, típicamente 13 mm.
A fin de lograr fuertes señales de ultrasonido, se requiere una buena transmisión acústicaentre el transductor de ultrasonido y las sondas de TI de fluido (ePbBi). La potencia máxima acústica se transmite cuando la impedancia acústica del material transductor y el fluido de ensayo son idénticos; cuando las impedancias difieren, las señales sufren. La colocación de un transductor de ultrasonido en contacto directo con la limpieza ePbBi (como se hizo posible por el puerto se ha descrito anteriormente) proporciona un amplio señal, a menudo durante horas a la vez. Óxidos de metal, sin embargo, tienen muy diferente impedancia, y también pueden interferir con la humectación mediante la alteración de la tensión superficial. Si el ePbBi se oxida sustancialmente, las señales de ultrasonido se degradan y pronto desaparecen. Una vez más, una atmósfera inerte es esencial. Si trazas de oxígeno causan algo de oxidación, sin embargo, la superficie del óxido metálico es desnatada antes de transferir ePbBi en el recipiente de la batería.
Finalmente, estos experimentos desafíos presentes debido a la presencia de corrientes eléctricas. Aunque las corrientes son nuestra inter científica y tecnológica centroest, que son suficientes (30 A) grande como para causar daño si enrutado incorrectamente. Termopares sin conexión a tierra a asegurar que las corrientes eléctricas dañinas no pase a través del dispositivo de adquisición de datos o el equipo que lo apoya, porque termopares sin conexión a tierra no tienen conexión eléctrica interna de la funda protectora para cualquiera de los cables de señal. Asimismo es imprescindible el uso de transductores de ultrasonido sin conexión a tierra (de procesamiento de señal SA, TR0805LTH) para evitar corrientes parásitas de dañar el instrumento de ultrasonido valioso (Signal-Processing SA, DOP 3010). Como se mencionó anteriormente, la base del horno sirve para conducir la corriente eléctrica, y también debe ser eléctricamente aislado de su entorno.
En el electrodo ePbBi, corriente hace que el calentamiento óhmico, lo que podría alterar la temperatura. Así, el sistema de control térmico automatizado debe ser capaz de adaptarse a los cambios en la entrada de calor. La Figura 3 muestra cómo la temperatura del electrodo ePbBi varía como curalquiler fluye a través de él, y cómo el controlador PID ajusta para compensar. Mantener la temperatura constante con grandes corrientes (50 A = 800 mA / cm) requeriría una refrigeración adicional, pero en las corrientes más bajas más realistas para las baterías de metal líquido en aplicaciones industriales (típicamente 17 A = 275 mA / cm 1), el controlador es capaz para compensar el calentamiento óhmico y mantenga variación de la temperatura a 2 ° C.
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Protocol
1. Configuración del sistema y de la Asamblea
- Limpiar el transductor de ultrasonidos con isopropanol.
- Cargue la guantera.
- Cargar el equipo necesario y los materiales (incluyendo transductor de ultrasonido, ePbBi, varilla agitadora y termopares) en la guantera, siguiendo las instrucciones del fabricante guantera para minimizar la entrada de oxígeno y la humedad.
- Mantenga los materiales porosos en vacío en la antecámara guantera durante 12 horas antes de entrar en la guantera.
- Sintonice el controlador PID (sólo la primera vez).
- Coloque la misma cantidad de sólido ePbBi en el recipiente de la batería que se utiliza en los experimentos (840 g).
- Coloque el aislamiento de horno alrededor del vaso de la batería si no está ya allí, y coloque la tapa encima del recipiente de la batería, junto con el colector de corriente negativa y termopares.
- Haga todas las conexiones eléctricas para los termopares y potencia del horno, como se muestra en la figura
- Iniciar la sintonización automática del regulador PID, con 150 ° C, según el punto de ajuste. Nota: los detalles de esta etapa serán diferentes, dependiendo del fabricante del controlador PID y modelo. El controlador utilizado aquí auto-melodías mediante el control de cuatro ciclos térmicos completos, a partir de RT a la temperatura de funcionamiento, durante un transcurso de horas.
- Utilice las teclas de flecha para ajustar el punto de ajuste (que se muestra de forma predeterminada después de sintonizar el controlador) a 150 ° C.
- Mantenga pulsado el botón de bucle durante 3 segundos para entrar en el bucle oculto. A continuación, pulse el botón de bucle varias veces hasta que la pantalla del controlador muestra "Tune". Utilice las teclas de flecha para cambiarlo a SÍ.
- Inserte un termopar y utilizar la estación de trabajo para vigilar y registrar la temperatura.
- Una vez auto-tune es completa, registrar los parámetros proporcional, integral y derivativo que el controlador PID ha seleccionado automáticamente por medio de la interfaz del controlador, según to las instrucciones del fabricante.
Medida 2. Velocidad de sonido
- Utilice el horno para fundir suficientemente ePbBi para el experimento, por lo menos 400 g. Nota: se requiere cantidad variará para diferentes equipos, y ePbBi funde a 125 ° C.
- Si es necesario, eliminar el exceso de óxido con una lectura rápida desde la superficie superior de la ePbBi utilizando una varilla agitadora.
- Inserte un transductor de ultrasonido en el dispositivo de medición de la velocidad del sonido y apriete la conexión de estampación para evitar fugas, a continuación, inserte un termopar y utilizar la estación de trabajo para vigilar y registrar la temperatura.
- Transferencia de metal fundido para el dispositivo de medición de la velocidad del sonido.
- Coloque el dispositivo de medición de la velocidad del sonido en la base del horno y dejarlo allí durante 2 min para aumentar gradualmente la temperatura y evitar el choque térmico.
- Prepárese para una transferencia segura mediante la eliminación de los equipos o materiales sensibles al calor de la zona.
- Añadir pequeña amounts de metal fundido a la vez, debido a un choque térmico puede dañar el transductor de ultrasonido. Añadir ePbBi hasta que la cara del transductor y la cabeza del micrómetro son a la vez completamente sumergidos.
- Esperar hasta que la temperatura se mantiene estable dentro de 1 ° C durante al menos 5 min antes de las mediciones iniciales, ya que la velocidad del sonido depende de la temperatura.
- Medida ecografía se hace eco en dos ubicaciones.
- Establezca la punta del micrómetro a una ubicación arbitraria pero conocido. Mediciones de eco de ultrasonido Record, siguiendo las instrucciones proporcionadas por el fabricante del instrumento.
- Utilizando el micrómetro, mueva la punta del micrómetro por una distancia conocida. Ultrasonido Registro mediciones de eco.
- Retire el metal fundido desde el dispositivo de medición de la velocidad del sonido y guardarlo en un recipiente resistente al calor.
- Para determinar la velocidad del sonido, la trama amplitud del eco como una función del tiempo de eco para cada una de las dos mediciones. Localice los ecos ajustando una curva de Gaussa cada eco de pico, como en la figura 4 ure. Calcula la velocidad del sonido dividiendo la distancia de desplazamiento por la diferencia en las horas punta de eco.
3. Ultrasonido de medición de velocidad
- Derretir suficiente ePbBi para el experimento (840 g), eliminando el exceso de óxido de si es necesario. Nota: Para obtener los mejores resultados, use la misma cantidad de ePbBi que se utilizó para sintonizar el controlador PID.
- Inserte un transductor de ultrasonido en el vaso de la batería y apriete la conexión de estampación para evitar fugas, asegurándose de que la base del horno esté nivelado.
- Transferencia de metal fundido en el recipiente de la batería.
- Coloque recipiente de la batería en la base del horno y dejarlo allí durante 5 min para aumentar gradualmente la temperatura y evitar el choque térmico. Prepárese para una transferencia segura mediante la eliminación de los equipos o materiales sensibles al calor de la zona.
- Añadir pequeñas cantidades de metal fundido a la vez, debido a choque térmico puede dañar el ultransductor trasound.
- Espere hasta que la temperatura alcanza los 150 ° C antes de que comiencen las mediciones, ya que la velocidad del sonido depende de la temperatura.
- Termine de montar el aparato.
- Coloque el aislamiento de horno alrededor del vaso de la batería si no está ya allí. Coloque la tapa encima de la vasija de la batería, junto con el colector de corriente negativo y termopares. Asegúrese de que todos están posicionados de forma precisa y repetible; collares de eje funcionan bien para esto.
- Hacer todas las conexiones eléctricas para la energía y señales, como se muestra en la figura 2B ure. Utilice un ohmímetro para comprobar que no hay caminos eléctricos no deseados están presentes, es decir, comprobar que la resistencia eléctrica entre el colector de corriente negativa y todas las señales conduce es al menos 1 MW.
- Comience a hacer mediciones.
- Comience la tala y la temperatura de la supervisión, la potencia del calentador, voltaje de la batería y la bateríaactual. Nota: En este caso, se utilizó un código de LabVIEW encargo estación de trabajo corriendo para registrar todas las mediciones, con sus correspondientes marcas de tiempo.
- Ajuste la configuración del instrumento de ultrasonido como necesario.
- Asegúrese de ajustar la velocidad del sonido, utilizando la temperatura adecuada, de acuerdo con un modelo aceptado 19. Para ePbBi a 150 ° C, como se usa a continuación, establecer la velocidad de 1760 m / seg.
- Ajuste la frecuencia de repetición de pulso tal que profundidades de eco están estrechamente espaciados (típicamente 0,25 mm).
- Ajuste el número de puertas de manera que el eco fuerte de la pared del fondo de la embarcación aparece en los últimos puertas; que proporciona una comprobación de validez útil para cuestiones de intensidad de señal de solución de problemas.
- Siguiendo las instrucciones proporcionadas por el fabricante, establezca el instrumento para el hardware de disparo.
- Comience la velocidad de registro y monitoreo con el instrumento de ultrasonido mediante el inicio de la activación de la estación de trabajo. Grabar cuatro perfiles de velocidad por segundo para 30min.
- Ajuste la corriente de la batería a 5 A, espere 5 minutos para que el flujo se estabilice, y después grabar cuatro perfiles de velocidad por segundo durante 30 minutos.
- Repita el paso 3.5 para 10 A, 15 A, 20 A, 25 A y 30 A.
Nota: Muchos otros planes experimentales también son posibles, incluyendo las variaciones de temperatura y los cambios suaves en curso. Una atmósfera baja en oxígeno y la humedad permite experimentos con buena calidad de señal para horas o más. - Una vez que los experimentos están completos, detener el registro de datos y apague el horno. Desconecte las conexiones eléctricas y retire la tapa del horno. Retire el metal fundido desde el recipiente de la batería, usando los mismos procedimientos para la transferencia segura que se utilizaron cuando se llena el recipiente. Guarde el ePbBi fundido en un recipiente resistente al calor. Añadir argón extra para la guantera; su presión caerá como su atmósfera se enfría.
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Representative Results
El procedimiento para medir la velocidad del sonido (descrito en detalle anteriormente) fue adaptado de métodos utilizados por los de procesamiento de señal SA. En principio, la velocidad del sonido se puede obtener fácilmente mediante la medición del tiempo de vuelo de un eco desde una pared en la gama conocida. Pero medir con precisión la localización efectiva de la cara del transductor es difícil, así que en vez se puede medir el tiempo de vuelo en dos ocasiones, con un micrómetro para desplazar la pared por una distancia conocida entre las mediciones. Esa distancia de desplazamiento, y la diferencia en el tiempo medido de vuelo, juntos producen la velocidad del sonido. El aparato utilizado para medir la velocidad del sonido en estos experimentos se muestra en la Figura 4A. Una medición de la velocidad del sonido en ePbBi se muestra en la Figura 4B. Cada curva que muestra eco medido es un promedio más de 98 perfiles que abarcan 7,4 seg. Cada pico de eco es apto para una curva de Gauss (mostrado), que hace uso de muchos puntos de datos y por lo tanto localiza la pared haciendo eco mucho más precisamente que encontrar un único máximo. Conocer los tiempos de eco, y sabiendo que la pared haciendo eco fue desplazada 2,54 mm entre las mediciones, la velocidad del sonido calculada es 1,793 m / seg a 138 ° C, en acuerdo razonable con el valor aceptado por la Agencia para la Energía Nuclear 19, que es 1.768 m / seg. En las medidas abajo, se utilizó NEA velocidad del sonido.
Una traza la velocidad de ultrasonido, grabado sin corriente en el electrodo, se muestra en la Figura 5A. Aquí el sistema de coordenadas espacial tiene su origen en el centro del recipiente de la batería, y el transductor en el lado negativo del origen, de tal manera que las velocidades positivas significan flujo de distancia desde el transductor, y las velocidades negativas significan flujo hacia el transductor. Aunque las mediciones de ultrasonido a lo largo de un diámetro no nos dan el conocimiento del flujo en todas partes, las mediciones son consistentes con una colección de rollos de convección, ya esbozado en la Figura 5C.
ve_content "> Al representar velocidades positivas en tonos de rojo y velocidades negativas en tonos de azul, el tiempo puede ser trazada en el eje vertical, para hacer parcelas de espacio-tiempo de la clase se muestra en la Figura 6A, que transmiten la variación temporal del flujo. Aquí de nuevo, la corriente es cero. Como es evidente a partir de las diversas formas de las regiones rojas y azules, este flujo es desordenada y aperiódica, en consonancia con lo que se espera de convección turbulenta. El flujo medio se representa gráficamente en la Figura 6B, y una desviación estándar también se indica.Finalmente, la Figura 7 muestra mediciones de la velocidad de ultrasonido con actual que se ejecuta a través del electrodo (en este caso, 125 mA / cm). Como se describe en más detalle en otra parte 18, las células de convección tienden a alinearse con las líneas de campo magnético producido por la corriente eléctrica, la organización del flujo. Aumento de la organización es evidente cuando la figura 7A se compara con la figura 6A, y el hecho de que el flujo es más constante pueden ser cuantificados por la desviación estándar con el tiempo, que es más pequeña con la corriente que sin ella. Aumento de la organización en presencia de un campo magnético es consistente con las observaciones previas en experimentos de convección de metales líquidos 20-22 y predicciones teóricas 23.
Figura 1. Ultrasonido visión general velocimetría. (A) Un transductor de ultrasonido produce un pitido y escucha los ecos. Si una partícula en movimiento (rojo) hace un eco, el tiempo de eco de dt vuelo revela la posición de la partícula y el df desplazamiento Doppler revela uno de los componentes de su velocidad. (B), Cuando muchas partículas están presentes, un transductor puede medir un componente de la velocidad en muchos lugares a lo largo de una línea. (No está a escala.)tps: //www.jove.com/files/ftp_upload/52622/52622fig1highres.jpg "target =" _ blank "> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2. Arreglo experimental. (A) El conjunto de horno. Una placa de aluminio soporta el recipiente de la batería de acero inoxidable y mantiene una temperatura uniforme (el aluminio es un conductor mucho mejor que el acero inoxidable). El recipiente de la batería está rodeado por un aislamiento de cerámica de sílice para estabilidad térmica; aislamiento de cerámica de sílice adicional encierra todo el conjunto del horno. La tapa del depósito está cubierto por una tapa de PTFE que soporta termopares, así como el colector de corriente negativa (no mostrado), sin hacer una conexión eléctrica a la vasija, que es también el colector de corriente positivo. Para los experimentos descritos aquí, el horno se alimenta con dos calentadores resistivos, cada una de 500 W. El diseño permite dos calentadores adicionales que deben incluirse si se desea. Sección transversal (B) del buque. El recipiente contiene una fina capa de fundido ePbBi, que contacta con el colector de corriente negativa. Termopares también hacen contacto con el ePbBi. Un controlador PID mantiene la temperatura del sistema, y una estación de trabajo controla la corriente de la batería, las mediciones de ultrasonido, y adquisición de datos. Configuración (C) de la guantera. Los experimentos se llevan a cabo en una caja de guantes llena de argón. El horno de ensamblado es visible justo derecha del centro, junto con el dispositivo de adquisición basado en ordenador y el controlador de calentador. El instrumento de ultrasonido se basa en el estante arriba. (Aquí hay transductor está conectado.) Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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Figura 3. Regulación de la temperatura. (A) Temperatura en la parte superior e inferior del electrodo ePbBi durante un experimento. Regulación de la temperatura se demuestra mediante el calentamiento del electrodo, a continuación, aplicando una serie de pulsos de corriente (B). El controlador de horno respondió mediante la modulación de potencia de calor (C). En densidades de corriente típicos de operación de la batería (hasta 400 mA / cm 2), la temperatura es estable dentro de aproximadamente 3 ° C. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Medición de la figura 4. Sonido velocidad. (A) El recipiente para la medición de la velocidad del sonido se construyó con un puerto de ultrasonido (derecho) frente a una cabeza micrómetro (izquierda) que causa ecos de gran amplitud y se pueden colocar con alta precisión. (B) Dos perfiles de eco medidos, cada uno con mínimos cuadrados un mejor ajuste a una curva de Gauss. El uso de los centros de la gaussiana se ajusta como los tiempos de viaje, y sabiendo que la pared se movió 2,54 cm entre las mediciones, se encuentra que la velocidad del sonido es de 1.793 m / seg a 138 ° C. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta cifra.
Figura 5. Un rastro de velocidad de ultrasonido y su interpretación. (A) En un solo rastro, el ultrasonido instrumento mide la velocidad en muchos lugares (en este caso, 440) a lo largo de la línea de visión del transductor. Aquí la ubicación r es measured desde el centro de la copa, el transductor se encuentra a la izquierda, y la velocidad u <0 significa fluyen hacia el transductor, mientras que u> 0 significa fluyen de distancia desde el transductor. (B) Un bosquejo de regiones de flujo hacia y desde el transductor. (C) Un bosquejo de un patrón de flujo consistente con estas mediciones. El transductor se encuentra en la mitad inferior del electrodo. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Mediciones Figura 6. Ultrasonido de velocidad de un electrodo de metal líquido impulsado por convección térmica, sin corriente eléctrica. (A) de velocidad radial u varía en el espacio y en el tiempo, con la velocidad indicada en color. Aquí r es la radiAl coordinar y t es el tiempo. (B) El flujo medio (trazada en negro) y una desviación estándar alrededor de ella (gris) muestra características similares a la figura 5.
Mediciones de velocidad Figura 7. Ultrasonido de un electrodo de metal líquido impulsado por convección térmica, y la densidad de corriente eléctrica 125 mA / cm. (A) Velocidad Radial u varía en el espacio y el tiempo, con la velocidad indicada en color. Aquí r es la coordenada radial y t es el tiempo. (B) El flujo medio (trazada en negro) y una desviación estándar alrededor de él (gris) muestra un flujo más rápido con menos variación en el tiempo que en ausencia de corriente (Figura 6). Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figure.
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Discussion
Técnicas de ultrasonido pueden producir mediciones de velocidad en cientos o miles de ubicaciones en un fluido transparente u opaco, muchas veces por segundo. Aplicado a un electrodo de metal líquido, técnicas de ultrasonido se encuentran con desafíos de alta temperatura, la actividad química y conductividad eléctrica. Se han descrito los métodos para superar esos desafíos y medición de flujo en electrodos metálicos líquidos activos. En primer lugar, un material de electrodo sujeto a la misma física como de alta temperatura electrodos de la batería de metal líquido (550 ° C) pero a temperaturas mucho más bajas operativas (150 ° C), facilita desafíos relacionados con la temperatura. Se utilizó un horno hecha a la medida y el sistema de control de sintonía para mantener la temperatura del electrodo permanente dentro de 2 ° C. Para mitigar la actividad química no deseada, todos los experimentos se llevan a cabo en una caja de guantes de argón-llenado y elegir materiales químicamente inertes para los componentes del sistema (a menudo de acero inoxidable). Para una respuesta óptima de ultrasonido, transducers se colocan en contacto directo con el fluido de ensayo de metal líquido. Y las corrientes eléctricas que se encaminan con cuidado para evitar bucles de tierra que podrían dañar los instrumentos valiosos.
Ultrasonido velocimetría tiene limitaciones en los metales líquidos. Sondas estándar no están clasificados para temperaturas por encima de 250 ° C, con exclusión de su uso en muchas masas fundidas de metal. Ultrasonido velocimetría no produce conjuntos de datos tan ricos como los que están disponibles usando técnicas ópticas como partículas seguimiento de 24,25, y las técnicas de ultrasonido de un solo transductor del tipo que aquí se describen medir sólo un componente de la velocidad, y sólo a lo largo de una línea. Características más pequeñas que la longitud de onda de ultrasonido (209 micras de ePbBi a 150 ° C con 8 emisiones MHz) no puede ser resuelto. Para las mediciones de ultrasonido en grandes sistemas, la atenuación de la señal es un reto; en ePbBi con emisiones de 8 MHz, se espera que las dificultades para distancias superiores a 300 mm. La reducción de la frecuencia reduce la atenuación, pero enel costo de una reducción correspondiente en la resolución. Los sistemas grandes también requieren velocidades de muestreo más bajas, desde el tiempo de vuelo a través del sistema es mayor. Y el aparato descrito aquí es incapaz de mantener 150 ° C con corrientes de 40 A o más.
Los presentes métodos pueden ampliarse sustancialmente en el futuro. La incorporación de los transductores de ultrasonido adicionales en la célula de la batería permitiría para medir la velocidad en más lugares y / o la medición de más de un componente de la velocidad. Termopares adicionales podrían dar una información más detallada sobre las variaciones espaciales de temperatura. Aunque el contacto directo entre el transductor de ultrasonidos y los rendimientos de fluido de ensayo señales fuertes, diseño acústico cuidado podría permitir pasar ultrasonido a través de la pared del vaso, reduciendo la oportunidad de daño térmico o químico en el transductor. Una pared entre el transductor y fluido de ensayo también puede ser tratada o condicionado para reducir los efectos adversos deóxido en el fluido de ensayo. Los presentes métodos también se pueden aplicar ampliamente para aplicaciones como fundición y procesamiento de metales industriales. Por último, tenemos la intención de ampliar nuestro trabajo en las mediciones de velocidad de baterías de metal líquido de tres capas activas, ya que cobran y la descarga.
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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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