Sıvı Metal Elektrot Ultrason Hızı Ölçümü
Summary
Ultrasound velocimetry is used to study mixing by fluid flow in liquid metal electrodes. The focus of this manuscript is to illustrate the methods used for making precise, spatially-resolved ultrasound measurements while limiting oxidation and controlling and monitoring temperature, applied current, and the heater power being supplied.
Abstract
Elektrokimyasal teknolojilerin giderek artan sayıda sıvı akışı bağlıdır ve genellikle bu sıvı opak. Optik yöntemler geçerli değildir, çünkü opak sıvı akışını ölçmek, şeffaf bir sıvı akışını ölçmek daha doğal olarak daha zordur. Ultrason, sadece izole noktalarda opak sıvı hızını ölçmek için kullanılan, ancak olabilir iyi zamansal çözünürlüğe sahip, çizgiler boyunca dizilmiş nokta yüzlerce veya binlerce. Yüksek sıcaklık, kimyasal aktivitesi ve elektrik iletkenliği olan sıvı bir metal elektrot uygulandığında, ultrason velosimetri ek zorluklar içerir. Burada deney cihazları ve bu zorlukların üstesinden gelmek ve bu çalışma sıcaklığında, akım yapar gibi bir sıvı metal elektrot akış ölçümüne olanak yöntemleri açıklanmaktadır. Sıcaklık bu güçler bir ısmarlama fırın, bir Oransal-İntegral-Türev (PID) kontrolörü kullanarak ± 2 ° C içinde düzenlenir. Kimyasal etkinlik adamdikkatle damar malzeme seçiminde ve argon dolu torpido gözü de deney düzeneği içine alarak yaş. Son olarak, istenmeyen elektrik yolları dikkatle önlenir. Otomatik sistem cihazları senkronize etmek donanım tetik sinyalleri kullanarak, kontrol ayarları ve deneysel ölçümleri kaydeder. Bu cihaz ve bu yöntemler diğer tekniklerle mümkün olmayan ölçümleri üretmek ve optimizasyon ve sıvı metal piller gibi elektrokimyasal teknolojilerin kontrolünü sağlayabilirsiniz.
Introduction
Sıvı metal piller dünyanın her yerindeki elektrik ızgaraları 1 büyük ölçekli enerji depolama sağlamak için umut vaat eden bir teknolojidir. Bu piller ızgara ölçekli enerji depolama 3 için idealdir, yüksek enerji yoğunluğuna, yüksek güç yoğunluğu, uzun ömrü ve düşük maliyet sunuyor. Zirve tıraş izin ızgara istikrarı geliştirmek ve güneş, rüzgar ve gelgit gücü gibi aralıklı yenilenebilir kaynakların daha yaygın kullanımını sağlayacak enerji şebekeye sıvı metal piller tanıtılması. Önceki çalışma 1'de daha ayrıntılı olarak tarif edildiği gibi sıvı metal pil, ergimiş tuz elektrolitten ayrılan iki sıvı metal elektrot oluşmaktadır. Metal ve elektrolit bir çok farklı kombinasyon çalışan bir sıvı metalin pil neden olabilir rağmen, çalışma ilkeleri aynı kalır. metallerin onları bir alaşım oluşturmak için enerji açısından olduğu gibi seçilir; Böylece alaşım pili boşaltır ve de-alaşım ücretleri o. saBu sayede sistemin elektrokimyasal kontrolü sağlanmaktadır, metal iyonları, iki elektrot arasında geçmesine izin verir, ancak bu nötr türlerinin blok ulaştırma böylece lt tabaka seçilir.
Bu eser miktarının ve kitle ulaşım etkileri kontrol ederek, sıvı metal pil teknolojisi ilerler. Burada açıklanan yöntemler Sadoway ve arkadaşları tarafından sıvı metal piller için geliştirilen elektrokimyasal yöntemlerle bilgilendirilmektedir. 1-4 yanı sıra Argonne National Laboratory 5,6 daha erken sıvı metal pil çalışmalarını ve daha geniş elektrokimyasal topluluğun çalışmalarını (Bard ve Faulkner 7) çok sayıda alakalı referansları sağlamak. Burada açıklanan yöntemler ayrıca önceki akışkanlar dinamiği çalışmaları üzerine inşa. Ultrason velosimetri geliştirilmiş ve ilk olarak su 8,9 kullanılan ve o zamandan beri galyum 10,11, sodyum 12,13, cıva 14 de dahil olmak üzere, sıvı metallere uygulanmış olan, bakır-kalay 15 15 <kurşun-bizmut/ Sup> ve kurşun-lityum diğerleri arasında 16. Eckert ve ark., Sıvı metallerde 17 velosimetri yararlı bir inceleme sağlar.
Burada, 18 tarif benzeyen Son çalışmalar yöntemleri kullanarak pil akımları sıvı metal elektrotlar toplu taşıma artırabilir göstermiştir. Pozitif elektrotta toplu taşıma, sıvı metal bataryaların şarj ve deşarj hız sınırlayıcı kademe olduğu için, karıştırma, bu nedenle, aksi halde mümkün olacak olandan daha hızlı bir şarj ve deşarj sağlar. Ayrıca karıştırma işlemi, pilin çevrim ömrünü sınırlayan katı maddeler oluşturabilirler elektrot, yerel homojensizliklerin önler. Devam eden çalışmada, çünkü termal ve elektromanyetik kuvvetlerin ortaya sıvı metal pil, pozitif elektrot sıvı akışı rolünü çalışmaya devam. Termal geçişlerini kaldırma kuvveti sayesinde konvektif akışını sürücü ve pil akımları meyilli tarafından uyarılan manyetik alanlar ile etkileşerek akışını sürücüy akımları kendilerini. Aşağıda tarif edilen yöntemleri kullanarak deneylerde, elektrot derinliği ve kök-ortalama-kare hızından hesaplanmaktadır, Reynolds sayısı 50 <Re <200 ile indirgenmesi gözlemledik. Kapsamlı bir deneysel karakterizasyonu üstlenilen ediliyor ve akıllı akü modelleri oluşturmak için ortaya çıkan veri kümesi kullanır. Bu yazının odak noktası deneysel tasarım ve bu verileri üretmek için gerekli prosedürler üzerinde. Ultrason velosimetri ölçümlerinin toplu sağlar ve deneysel şartlar dikkatli bir şekilde, sıvı metal içinde başarılı bir şekilde ultrason kullanmak için kontrol edilmelidir. Yüksek sıcaklık, kimyasal aktivitesi ve elektriksel iletkenlik tüm dikkatle yönetilmesi gerekmektedir.
İlk olarak, sıvı metalin piller mutlaka yüksek sıcaklıkta yapmaktadır metaller ve bunların erimiş olması gerekir ayıran bir tuzu, hem için. Pozitif elec gibi olumsuz elektrot olarak lityum kullanan malzemelerden biri umut verici seçim, kurşun-antimonTrode ve elektrolit olarak bir lityum tuzlarının bir ötektik karışım, 550 ° C civarında sıcaklıklar gerektirir. Bu tür yüksek sıcaklıklarda, opak bir sıvı akış ölçüm oldukça zordur. , Akustik dalga kılavuzu test sıvısından narin elektro-akustik bileşenleri ayrı yüksek sıcaklık ultrason dönüştürücüler, 15 gösterilmiştir ve ticari oylandı. Dönüştürücüler 40 dB yakın ve çünkü bu tür sıcaklıklarda çalışan genel zorluk ekleme kaybı olduğundan, ancak bir vekil sistemi ilk çalışma için seçilmiştir: sıvı metal batarya da negatif elektrot, ötektik olarak sodyum kullanılarak yapılabilir 44% 56 pozitif elektrot olarak% bizmut (bundan sonra, ePbBi) ve elektrolit olarak sodyum tuzları (% 10 sodyum iyodür,% 38 sodyum hidroksit,% 52 sodyum amid) bir üçlü ötektik karışımı kurşun. Böyle bir pil laboratuvar çalışmasına çok daha müsait hale 127 ° C'nin üzerinde tamamen erimiş olduğunu. Üç sıvı oluşmaktadır içinyoğunluk ile tabakalar ayrılmış, bu diğer sıvı metal piller aynı fizik tabidir. Ve hiçbir dalga kayıpları içerir ve yüksek sıcaklık dönüştürücüler daha az maliyet, 230 ° C'ye kadar derecelendirilir hazır ultrason dönüştürücüler ile uyumludur. Bu deneyler tipik haliyle, 150 ° C 'de yer almaktadır. Bunu Prandtl sayısı olduğu şekilde bu sıcaklıkta, ePbBi viskozite ν sahip = 2.79 x 10 -7 m2 / sn, termik yayıcılığıdır κ = 6.15 x 10 -6 m2 / sn, ve manyetik yayılma η = 0,8591 m2 / sn Pr = ν / κ = 4.53 x 10 -2 ve manyetik Prandtl numarası Pm = ν / η = 3.24 x 10 -7 olduğunu.
Bu düşük sıcaklık sıvı metal pil kimyası onlar sıcak piller olacağını daha akım çalışmaları çok kolaylaştırır rağmen, sıcaklık yine dikkatli bir şekilde yönetilmesi gerekmektedir. Narin elektro-akustik cihazlar olmak, ultrason dönüştürücüler susceptibl olanE, termal şokla zarar ve bu nedenle yavaş yavaş ısıtılması gerekir. Kaliteli ultrason ölçümleri de dikkatli sıcaklık düzenleme gerektirir. Şekil 1'de gösterildiği gibi Ultrason velosimetri, sonar gibi çalışır: dönüştürücü, ardından yankıları dinler (burada, frekans 8 MHz) bir bip sesi yayar. Yankı uçuş süresinin ölçülmesi ile, yankı vücuda mesafe hesaplanabilir ve eko Doppler kayması ile vücut hızının bir bileşen de hesaplanabilir. Suda, izleyici parçacıkları yankıları üretilmesi için eklenmesi gerekir, ancak hiçbir iz parçacıklar, sıvı metal, burada ayrıntılı olarak anlaşılmalıdır, ancak, tipik olarak metal oksit partiküllerinin varlığına atfedilir bir gerçek gerekmektedir. Her ölçüm sorgulama birimdeki tüm izleyici parçacıklar üzerinde bir ortalama; Bu çalışmada, minimum çapı, sonda arasında bir mesafe 30 mm, 2 mm 'dir. Gerçi oksidasyon sonunda th kullanarak deney süresini sınırlayabilirE yöntemleri biz sürece 8 olarak saat sürekli ölçümler yaptık, aşağıda açıklandığı.
Mesafe veya hız ya hesaplanması test sıvısı sesin hızını bilmek gerektirir ve bu hız sıcaklığa göre değişir. Burada açıklanan çalışma, 140 ° C, 19 ile 160 ° C 'de 1765 m / s ve 1767 m / s, ses hızı, 150 ° C de 1,766 m / sn'dir ePbBi negatif elektrot akış odaklanmaktadır. Böylece yetersiz sıcaklık kontrolü ultrason ölçümlerinde sistematik hatalar tanıtmak istiyorum. Bir cihaz (aşağıya bakınız) Nükleer Enerji Ajansı tarafından yayınlanan 19 kabul ile tutarlı değerleri bulma ePbBi sesin hızını ölçmek için inşa edilmiştir. Isı taşınım sıvı metalin piller akışın bir birinci sürücü, iki ortalama sıcaklık ve ePbBi elektrot üst ve alt kısımları arasındaki sıcaklık farkı olduğu Son olarak, doğrudan gözlemler etkiler. Tutarlı sonuçlar için hassas termalkontrol esastır.
Bu duruma göre, sıcaklık, bir bilgisayar esaslı alıcı cihaz ve bir özel olarak yazılmış LabVIEW programı ile elektronik olarak ölçümü giriş, en az üç K-tipi termokupl ile sürekli olarak ölçülür. Program aynı zamanda bir USB bağlantısıyla, akü akımı sağlayan güç kaynağı kontrol eder; Batarya akımını ve voltajını kaydeder; verileri diğer ölçümler ile senkronize edilebilir, böylece ve ultrason cihazına tetik darbeleri gönderir. Bir sistem diyagramıdır, Şekil 2 'de gösterilmiştir. Isı bir orantılı-integral-farkı ile açık bir röle tarafından desteklenmektedir, iki 500-W endüstriyel ısıtma elemanları içerir, (PID) (aynı zamanda, Şekil 2'de gösterildiği gibi) bir geleneksel yapımlı fırını temin edilmektedir denetleyicisi. piller destekleyen taban plakası katı alüminyumdan yapılmıştır; ısı iletkenlik büyüklük sırası paslanmaz st termal iletkenliğinden daha yüksek olduğu içinyılanbalığı pil hücresi damar ve 19 içeren ePbBi, fırın zemin sıcaklığı yaklaşık aynıdır. Ayrıca alüminyum taban elektrottan geçen elektrik akımları için bir yol olarak iki katına çıkar. Bu elektrik iletkenliği de paslanmaz çelik veya ePbBi daha yüksek bir büyüklük sırasında, yani fırın tabanının voltajı da yaklaşık aynıdır. İzolasyon bacaklar yanıklara ve şort önlenmesi, üst aşağıda tezgah tabanı ayırın. Pil geminin taraf yakından geminin uygun ama hücrenin ultrason port erişmek için odayı terk kesti silika seramik yalıtım ile izole edilmiştir. Son olarak, bir politetrafloroetilen (PTFE), kapak yukarıdan hücre izole eder ve yerine negatif akım toplayıcı ve termokupl tutar. Ticari olarak temin edilebilen sıcak tabaklar, bu deneyler için gerekli sıcaklıklar elde edebilirsiniz rağmen, bizim özel olarak oluşturulmuş fırın büyüklüğü daha az varyasyon, bir bir emriyle sıcaklığını korurnd da bize doğrudan ısı gücünü ölçmek için izin verir.
Sıcaklık ile bağlantılı zorlukların yanı sıra, kimyasal aktivitesi ile ilişkili zorluklar vardır. 150 ° C'de, bir ePbBi pozitif elektrot çok yaygın malzemeler ile kimyasal açıdan uyumludur. Bir sodyum negatif elektrot Ancak, pek çok malzeme aşındıran kolayca oksitlenir ve nem ile şiddetle reaksiyona girer. Lityum bazlı sıvı metal piller tipik olarak çok daha yüksek sıcaklıklarda çalıştırmak özellikle çünkü lityum negatif elektrot da agresif. Bu daha yüksek sıcaklık sistemler bu çalışma kapsamı dışında olmasına rağmen, kimyasal aktivitesi yönetmek için aynı önlemler, birçok bu sistemlerde burada kullanılmaktadır. Burada tarif edilen tüm deneyler oksijen ya da nem sadece eser miktarlarını ihtiva eden, argon doldurulmuş eldiven kutusu yer almaktadır. Pil kabı alaşımından minimal da 550 ° C de lityum ile aşındıran 304 paslanmaz çelik, yapılır. termokupl ve negatif akımkollektör da paslanmaz çelikten imal edilmiştir. damar geometrisi, sıvı metalin pil elektrokimyasal testi için kullanılan gemi uygun olmaları için mümkün olduğu kadar yakından ticari edilmektedir sistemleri modellemek için seçilir. Şekil 2'de gösterilen kap, bir 88.9 mm iç çaplı ve 67 mm derinlikte, silindiriktir. Tüm damar duvarlarının 6,4 mm kalınlığındadır. kap bir ultrason bağlantı noktası vardır ki, bununla birlikte, daha önce deneyler için kullanılanlardan farklılık gösterir. ağzı silindirin yatay çapı boyunca bir yan duvarından geçer ve bağlantı noktası merkezi damar zeminden 6.6 mm'dir. port swage ile transdüser yaklaşık 8 8 mm ultrason transdüktörünü karşılamak için mm çapında ve mühürler olduğunu. Bu deneylerde, sıvı metal, elektrot ultrason transdüktörü, tipik olarak 13 mm karşılamak için yeterince derindir.
Güçlü ultrason sinyalleri elde etmek için, iyi bir akustik iletim gerektirirultrason transdüktörüne ve sıvı bu problar (ePbBi) arasında yer almaktadır. Dönüştürücü malzemenin akustik empedans ve test sıvısı aynı maksimum akustik güç iletilir; empedansları farklı zaman sinyaller muzdarip. (Yukarıda tarif edilen bağlantı ile mümkün gibi), temiz ePbBi ile doğrudan temas içinde bir ultrason transdüktörü yerleştirilmesi genellikle saatlerce, geniş bir sinyal sağlar. Metal oksitler, ancak, farklı empedans, ve aynı zamanda yüzey gerilimini değiştirerek ıslatma engel olabilir. EPbBi ölçüde okside edilirse, ultrason sinyalleri aşağılamak ve yakında yok. Yine, bir atıl atmosfer esastır. Oksijen eser miktarlarda yine bazı oksidasyona neden olursa, metal oksit yüzey pil kabına ePbBi aktarmadan önce yağsız edilir.
Son olarak, çünkü elektrik akımlarının varlığı bu deneyler mevcut zorluklar. Akımlar merkez bilimsel ve teknolojik arası olmasına rağmenest, onlar yanlış yönlendirilmiş takdirde hasara neden olabilecek kadar (30 A) büyüktür. Asılsız termokupl asılsız termokuplar ya sinyal kablosuna koruyucu kılıftan hiçbir iç elektrik bağlantısı var çünkü zararlı elektrik akımları, veri toplama aygıtı ya da onu destekleyen bilgisayar aracılığıyla geçemiyor emin olun. Aynı şekilde bu değerli ultrason cihazı (Sinyal İşleme SA, DOP 3010) zarar vermesini sokak akımını önlemek için topraksız ultrason dönüştürücüler (Sinyal İşleme SA, TR0805LTH) kullanmak esastır. Daha önce belirtildiği gibi, fırının tabanı elektrik akımı iletmek için hizmet eder ve aynı zamanda da çevre elektriksel olarak izole edilmiş olması gerekir.
EPbBi elektrot, mevcut potansiyel sıcaklık bozan, ohmik ısıtma neden olur. Böylece otomatik ısı kontrol sistemi, ısı girişine değişikliklere uyum gerekir. 3 gösterileri Şekil ePbBi elektrot sıcaklığı olarak cur nasıl değiştiğinikira içinden akar ve nasıl PID kontrolörü telafi etmek için ayarlar. Büyük akımlar (50 A = 800 mA / cm) ile sürekli sıcaklık muhafaza ek soğutma gerektiren, ancak endüstriyel uygulamalarda sıvı metal piller için daha gerçekçi alt akımlarda (tipik 17 A = 275 mA / cm 1), kontrolör yapabiliyor ediyorum omik ısıtma telafi ve 2 ° C sıcaklık değişimi tutun.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ultrason teknikleri şeffaf veya opak sıvı içinde yüzlerce ya da binlerce yerleri, saniyede birçok kez hız ölçümleri üretebilir. Sıvı metal elektrot uygulanan ultrason teknikleri, yüksek sıcaklık, kimyasal aktivitesi ve elektriksel iletkenlik zorlukları karşılaşıyoruz. Bu zorlukların aşılması ve aktif sıvı metal elektrotlar akımı ölçmek için yöntemler tarif edilmiştir. İlk olarak, aynı fizik gibi yüksek sıcaklık, sıvı metal batarya elektrotlar (550 ° C), ancak işlevsel olarak da…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We are grateful for the design and fabrication assistance of D. De La Cruz, for equipment borrowed from M. Zahn, and for insightful discussions with D. R. Sadoway and the talented electrochemists of his group.
Materials
| 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/ |
Riferimenti
- 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, 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, 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. , (1967).
- Cairns, E. J., Shimotake, H. High-temperature batteries. Science. 164 (3886), 1347-1355 (1969).
- Bard, A., Faulkner, L. . Electrochemical methods: Fundamentals and applications. , (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., Yao, T., et al. High-temperature ultrasonic Doppler velocimetry for lead-lithium flows. Zero-Carbon Energy Kyoto 2011, Green Energy and Technology. , 267-272 (2012).
- Eckert, S., Cramer, A., Gerbeth, G. Velocity measurement techniques for liquid metal flows. Magnetohydrodynamics. , 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. , (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. , (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).
