Измерение скорости ультразвука в жидкости металлический электрод
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
Растущее число электрохимических технологий зависит от потока жидкости, и часто, что жидкость непрозрачна. Измерение расхода непрозрачной жидкости по своей природе более сложно, чем измерение потока прозрачной жидкости, так как оптические методы не применяются. Ультразвук может быть использован для измерения скорости непрозрачной жидкости, не только в отдельных точках, а на сотни или тысячи точек, выстроенных вдоль линий, с хорошим временным разрешением. При нанесении на жидкого металлического электрода, ультразвук велосиметрия включает дополнительные проблемы: высокая температура, химическую активность и электропроводность. Здесь мы опишем экспериментальный аппарат и методы, которые преодолевают эти проблемы и позволяет измерять поток в жидкой металлическим электродом, как проводит ток, при рабочей температуре. Температура регулируется в пределах ± 2 ° С с использованием пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) контроллер, что полномочия по спецификации печи. Химическая активность человекв возрасте, тщательно выбирая материалы сосудов и ограждающих экспериментальную установку в заполненной аргоном перчаточного ящика. Наконец, непредвиденные электрические дорожки тщательно предотвратить. Автоматизированная система регистрирует параметры управления и экспериментальные измерения, используя сигналы аппаратного запуска синхронизации устройства. Этот аппарат, и эти методы могут производить измерения, которые невозможно с другими методами, и позволяют оптимизировать и контролировать электрохимических технологий, таких как металлические батареи жидких.
Introduction
Жидкий металл батареи перспективная технология для обеспечения крупномасштабного хранения энергии на электрических сетях по всему миру 1. Эти батареи обеспечивают высокую плотность энергии, высокая плотность мощности, длительный срок службы и низкая стоимость, что делает их идеальными для сетки шкалы хранения энергии 3. Представляя металлические батареи жидкость в энергосистему позволит пиковой нагрузки, повышения стабильности сетки, а также включить более широкое использование прерывистых возобновляемых источников, таких как энергия солнца, ветра, приливов и отливов власти. Жидкий металл батареи состоит из двух жидких металлических электродов, разделенных с расплавленной солью электролита, как описано более подробно в предшествующей работе 1. Хотя многие различные комбинации металлов и электролита может привести к рабочей металла батареи с жидким, принципы работы остаются неизменными. Металлы выбраны так, что энергетически выгодно, чтобы они образуют сплав; Таким образом, легирование разряжает батарею, и де-легирования обвинения он. СаLt слой выбирают таким образом, что она позволяет ионы металла проходит между двумя электродами, но блоки транспортировки нейтральных частиц, тем самым получая электрохимический контроль над системой.
Эта работа будет продвигаться жидкости технологии металлов батареи, количественной оценки и управления транспортных эффекты массы. Методы, описанные здесь, сообщил электрохимических методов, разработанных для жидких батарей металла Sadoway др. 1-4, а также ранее жидкого металла батареи работать в Аргоннской национальной лаборатории 5,6, и работу в более широком электрохимической сообщества (Бард и Фолкнера 7 предоставляют множество соответствующих ссылок). Методы, описанные здесь, также основываться на предыдущих исследованиях гидродинамики. Ультразвук велосиметрия был разработан и впервые использован в воде 8,9 и с тех пор применяется для жидких металлов, включая галлия, натрия 10,11 12,13, ртути 14, свинец-висмут 15, меди и олова 15 </ SUP>, и свинцово-литий 16, среди других. Эккерт и др. Обеспечивают полезный обзор велосиметрии в жидких металлах 17.
Последние работы, используя методы, аналогичные описанным здесь 18 показал, что токи батареи может повысить перенос массы в жидких металлических электродов. Потому что перенос массы в положительном электроде лимитирующей стадией в заряда и разряда батарей металлических жидких, смешивая, следовательно, позволяет быстрее заряда и разряда, чем это было бы возможно. Кроме того смешивание препятствует локальных неоднородностей в электроде, которые могут образовывать твердые частицы, которые ограничивают срок службы батареи. В текущей работе, мы продолжаем изучать роль течения жидкости в положительном электроде жидкого металла батареи, которая возникает из-за тепловых и электромагнитных сил. Температурные градиенты езды конвективный поток через плавучести, и токи батареи привод поток, взаимодействуя с магнитными полями, вызванными тестоСами у токи. В экспериментах с использованием методов, описанных ниже, мы наблюдали потоки с числом Рейнольдса Re <50 <200, рассчитанной из глубины электрода и корень среднеквадратичной скорости. Тщательной экспериментальной характеристика ведется и будет использовать результирующий набор данных, чтобы построить прогнозирующие модели аккумуляторов. В центре внимания этой рукописи на опытно-конструкторские и процедур, необходимых для получения таких данных. Ультразвук велосиметрия обеспечивает основную часть измерений и экспериментальные условия должны быть тщательно контролируется для того, чтобы успешно использовать ультразвук в жидком металле. Высокая температура, химическая активность, и электропроводность все должны быть тщательно управлять.
Во-первых, металлические батареи жидкие обязательно работают при высокой температуре, так как металлы и соли, которая отделяет их должно быть в расплавленном состоянии. Одним из перспективных выбор материалов, который использует литий в качестве отрицательного электрода, свинца-сурьмы в качестве положительного ElecTrode и эвтектической смеси солей лития в качестве электролита, требует температуры приблизительно 550 ° С. Измерение расхода непрозрачной жидкости при таких высоких температурах достаточно сложно. Ультразвуковые преобразователи высокой температуры, которые отделяют тонкие электро-акустические компоненты от испытательной жидкости с акустического волновода, были продемонстрированы 15 и коммерциализации. Однако, поскольку эти преобразователи имеют вносимые потери около 40 дБ, а из-за общей сложности работы при таких температурах, суррогатной система была выбрана для начального обучения: жидкий металл батареи также могут быть получены с использованием натрия в качестве отрицательного электрода, эвтектики 44% приводит 56% висмута (далее ePbBi) в качестве положительного электрода, и тройной эвтектическую смесь натриевых солей (10% йодида натрия, 38% гидроксида натрия, 52%) амид натрия в качестве электролита. Такой аккумулятор полностью расплавленный выше 127 ° С, что делает его гораздо более пригодным для лабораторного исследования. Потому что он состоит из трех жидкостислои, разделенные плотности, оно подлежит той же физики, как других жидких металлических батарей. И оно совместимо с легкодоступных ультразвуковых преобразователей, которые рассчитаны на 230 ° C, не включают каких-либо потерь волновода, а стоимость намного меньше, чем высокотемпературных преобразователей. Эти эксперименты, как правило, имеют место при 150 ° С. При этой температуре, ePbBi имеет вязкость ν = 2,79 · 10 -7 м 2 / с, коэффициент температуропроводности κ = 6,15 х 10 -6 м 2 / с, и магнитной диффузии η = 0,8591 м 2 / сек, таким образом, что его число Прандтля Pr = ν / κ = 4,53 х 10 -2 и его магнитное число Прандтля Pm = ν / η = 3,24 х 10 -7.
Хотя это низкотемпературная химия металла аккумуляторная жидкость делает исследования потока намного легче, чем они были бы в более жарких батарей, температура, тем не менее, должны быть тщательно управлять. Будучи деликатных электроакустических устройств, ультразвуковые преобразователи susceptiblе повредить термическим ударом, и, следовательно, должны быть постепенно нагревают. Измерения с высоким качеством ультразвуковые также требуют тщательного регулирования температуры. Ультразвук велосиметрия работает как сонара, как показано на рисунке 1: датчик подает звуковой сигнал (здесь, частота 8 МГц), затем слушает эхо. Измеряя время полета эхо, расстояние до гулкой тела может быть рассчитана, и измерения доплеровского сдвига эха, один компонент скорости тела также может быть рассчитана. В воде, трассирующие частицы должны быть добавлены для получения эхо, но не маркерные частицы не требуется в жидких металлах, факт, который не понял в деталях, но, как правило, объясняется присутствием небольших частиц оксида металла. Каждое измерение в среднем по всем частицам трассирующих в томе допросов; В этой работе, его минимальный диаметр 2 мм, на расстоянии 30 мм от зонда. Хотя окисление может в конечном итоге ограничивает продолжительность эксперимента, используя йМетоды е описано ниже, мы провели измерения непрерывно до тех пор, как 8 часов.
Расчет либо расстояние или скорость, требуется знать скорость звука в жидкости для испытания, и что скорость зависит от температуры. Работа описано здесь фокусируется на поток в ePbBi отрицательного электрода, где скорость звука 1766 м / с при 150 ° С, 1,765 м / сек при 160 ° С, и 1,767 м / сек при 140 ° С 19. Таким образом, недостаточный контроль температуры будет ввести систематические ошибки в измерениях ультразвуковых. Устройство построено для измерения скорости звука в ePbBi, находя значения в соответствии с данными, опубликованными и приняты Агентством по ядерной энергии 19 (см. Ниже) Наконец, так как тепловая конвекция является основным фактором, определяющим течение в жидких металлических батарей, и средняя температура и разность температур между верхней и нижней части электрода ePbBi непосредственно влияют наблюдения. Для получения стабильных результатов, точный тепловойконтроль имеет важное значение.
Соответственно, температура измеряется постоянно, по крайней мере трех термопар K-типа, вход их измерения в электронном виде с компьютера на основе устройства сбора и специально написанный программы LabView. Программа также контролирует источник питания, который обеспечивает ток батареи, с помощью соединения USB; регистрирует ток батареи и напряжения; и посылает импульсы управления ультразвуковым прибором, таким образом, что его данные могут быть синхронизированы с другими измерениями. Схема системы показана на рисунке 2. Тепло обеспечивается заказного печи (также показано на рисунке 2), который содержит два 500 Вт промышленных нагревательных элементов питание от реле переключаются пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) Контроллер. Опорная плита, которая поддерживает элементы питания выполнен из твердого алюминия; потому что его теплопроводность на порядок выше, чем теплопроводность из нержавеющей стСудно клеток угря батареи и ePbBi он содержит 19, температура пода печи примерно одинаковым. Кроме того алюминиевое основание удваивает как путь для электрических токов, проходящих через электрод. Его электропроводность также на порядок выше, чем у нержавеющей стали или ePbBi, так что напряжение пода печи также приблизительно равномерным. Изоляционные ноги отделить базу от скамейки топ ниже, предотвращая ожоги и шорты. Стороны батареи судна изолированы кремнезема керамической изоляцией, вырезать, чтобы соответствовать судно близко, но оставить место для доступа порт ультразвуковой клетки. Наконец, политетрафторэтилена (ПТФЭ) крышка изолирует клетки сверху и имеет отрицательный токоприемник и термопар на месте. Хотя коммерчески доступные конфорки можно достичь температуры, необходимые для этих экспериментов, наш обычай построен печи поддерживает температуру с на порядок меньшим изменением, вND также позволяет измерять тепловую энергию непосредственно.
В дополнение к проблемам, связанным с температурой, существуют проблемы, связанные с химической активности. В 150 ° C, положительный электрод ePbBi химически совместим со многими обычными материалами. Отрицательный электрод натрия, однако, разъедает многие материалы, легко окисляется, и энергично реагирует с влагой. Литий отрицательный электрод также агрессивным, особенно потому, что литиевые батареи на основе жидких металлов, как правило, работают на гораздо более высоких температурах. Хотя эти системы высшего температуры выходят за рамки данной работы, многие из тех же мер по управлению химической активностью используется здесь, как и в этих системах. Все эксперименты, описанные здесь состоится в заполненной аргоном перчаточного ящика, содержащего только следовые количества кислорода и влаги. Батарея сосуд изготовлен из сплава нержавеющей стали 304, который разъедает минимально даже с литием при 550 ° С. Термопары и отрицательный токКоллектор также сделаны из нержавеющей стали. Геометрия судно выбраны в соответствии суда, используемые для электрохимического тестирования металлических батарей жидких, моделировать как можно ближе системы, которые в настоящее время коммерциализации. Судно, показанное на рисунке 2, имеет цилиндрическую форму, с внутренним диаметром 88,9 мм и глубиной 67 мм. Все стенки сосудов толстые 6.4 мм. Судно отличается от тех, которые используются для более ранних экспериментах, однако, в том, что он имеет ультразвуковое порт. Порт проходит через боковую стенку вдоль горизонтального диаметра цилиндра, и центр порта составляет 6,6 мм над уровнем пола сосуда. Порт 8 мм в диаметре для размещения 8 мм ультразвуковой датчик, и уплотнение вокруг преобразователя с обжимки. В этих экспериментах, металлический электрод жидкость только достаточно глубоко, чтобы покрыть ультразвуковой преобразователь, типично 13 мм.
Для того, чтобы достичь сильные сигналы ультразвуковых, один требует хорошей акустической передачимежду ультразвуковым преобразователем и жидкости, котора зондов (ePbBi). Максимальная акустическая мощность передается, когда акустический импеданс материала преобразователя и испытательная среда идентичны; когда сопротивления отличаются сигналы страдать. Размещение ультразвуковой преобразователь в непосредственном контакте с чистой ePbBi (как стало возможным порта, описанной выше) обеспечивает достаточное сигнал, часто в течение нескольких часов за один раз. Оксиды металлов, однако, имеют очень разные сопротивления, а также может влиять на процесс увлажнения путем изменения поверхностного натяжения. Если ePbBi существенно окисляется, ультразвуковые сигналы деградировать и скоро исчезнет. Опять же, в атмосфере инертного имеет важное значение. Если следовые количества кислорода вызвать окисление, тем не менее, поверхность оксида металла обезжиренное перед передачей ePbBi в батарейный судна.
Наконец, эти эксперименты создает проблемы из-за наличия электрических токов. Хотя токи наш центральный научно-технологического междуТо есть, они достаточно (30) большой, чтобы причинить вред, если неправильно направляется. Необоснованные термопары гарантировать, чтобы вредная электрические токи не проходят через устройство сбора данных или компьютер, поддерживающий его, потому что необоснованные термопары не имеют внутреннего электрического соединения с защитной оболочкой для любой сигнального провода. Точно так же важно, чтобы использовать необоснованные ультразвуковые преобразователи (обработки сигнала SA, TR0805LTH), чтобы предотвратить блуждающих токов от повреждения ценное ультразвуковое инструмент (обработки сигнала SA, DOP 3010). Как упоминалось ранее, основание печи подают проводить электрический ток, а также должны быть электрически изолированы от окружающей среды.
В электродом ePbBi, ток вызывает омический нагрев, потенциально нарушая температуры. Таким образом, автоматизированная система терморегулирования должны быть в состоянии адаптироваться к изменениям на входе тепла. Рисунок 3 показывает, как температура электрода ePbBi изменяется текаренда течет через него, и как ПИД-регулятор регулирует чтобы компенсировать. Поддержание постоянной температуры с большими токами (50 = 800 мА / см) потребует дополнительного охлаждения, но при более низких токах более реалистичным для жидких батарей металлов в промышленных применений (как правило, 17 = 275 мА / см 1), контроллер способен для компенсации омического нагрева и удерживайте изменение температуры до 2 ° C.
Protocol
Representative Results
Discussion
Методы ультразвуковой может производить измерения скорости в сотни или тысячи мест в прозрачной или непрозрачной жидкости, много раз в секунду. Применительно к жидким металлическим электродом, методики УЗ сталкиваться с проблемами высокой температуры, химической активности и электр…
Declarações
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/ |
Referências
- 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).
