1598005420-e4dffbb6ff09e4f6675580849e63fa88 (Электрохимические генераторы. Н.С. Лидоренко, Г.Ф. Мучник, 1982u), страница 9

имеется экстремум. Если г/>5/г//' — положительная величина, 5 имеет минимум. Таким образом, для ЭХГ имеется мощность, при которой стоимость 1 кВт ч минимальна. Это еще раз подчеркивает оптимальную область ЭХГ: там, где необходима работа на номинальной мощности и периодически на максимальной. Зб Двигатель внутреннего сгорания, предназначенный для этих задач, должен создаваться на максимальную илн близкую к ней мощность, при которой и достигается оптимум стоимости. Пря нормальной эксплуатации он не работает в области оптимальных затрат.

Рассмотрим теперь несколько примеров оценки ЭУ по суммарному критерию Т !формула (1.1)1. а) Наземный транспорт. Наилучшие значения Т, ожидаемые к 1985 г., имеет ЭХГ (0,76). Двигатели От- то- — наиболее распространенные в настоящее время источники — имеют Т=0,68. При этом принято, что низкое значение Т для двигателей Отто получается из- за большого времени подготовки (Т„л,=0,1) и отсутст- вия необходимости использовать высокие удельные мощности вследствие ограниченной скорости движения в пределах города.

Аккумуляторы имеют малое значение Т для авто- машин дальнего радиуса поездок (скорость 130 км/ч, масса более 1,5 т, требуемая удельная мощность 0,2 кВт/кг) и могут быть использованы для городского автомобиля (скорость 60 км/ч, ограниченная условиями движения в городе, масса менее 900 кг, удельная мощ- ность 0,1 кВт/кг) .

Для городского автобуса (масса 16 т, скорость 60 км/ч, пробег 130 — 150 км, удельная мощность 0,28 кВт/кг, удельная энергия 0,38 кВт. ч/кг) низшее значение Т имеет дизель (шум, загрязнение, большое время подготовки), наивысшее — ЭХГ, двигатель Стир- линга и паровые машины. б) Корабли. По-прежнему наилучшие значения Т ожидаются у дизелей (более 100 кВт) и двигателя От- то (более 50 кВт), а ЭХГ могут найти применение для морских объектов, требующих бесшумной эксплуатации и ресурс в сотни и тысячи часов. в) Малая энергетика.

Основные требования — малое время безостановочной эксплуатации («вес» 50»/«), ма- лые собственные масса («вес» 30'/«) н объем («вес» 15" ), высокий КПД («вес» 5',6) источника, В качестве единицы непрерывной работь> может быть принято примерно 2 года, Анализ показывает, что зна- чение критерия Т максимально у ЭХГ.

г) Стационарные установки малой мощности. Глав- ные компоненты «вес໠— время подготовки и ресурс (Т0~/о). Остальные 30' пала>от на объемну>о мощность, зт КПЛ и условия обслуживания. Для ряда задач ЭХГ оказываются более перспективными, чем двигатели внутреннего сгорания, Однако необходимо увеличить ресурс их работы по крайней мере до нескольких лет. ГЛАВА ВТОРАЯ Т(ЕРМОДИНАМИКА ПРОЦЕССОВ И НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ КИНЕТИКИ Глава посвящена анализу некоторых процессов, происходящих в ТЭ и связанных непосредственно с генерированием электрической энергии.

Конечная цель этого анализа -- получение вольтамперной характеристики (ВАХ) (/=1(1) — основной, обобщающей зависимости, связывающей генерируемый ток 1 с разностью потенциалов (напряжением) на электродах (1. Именно эта зависимость и определяет в конечном итоге эффективность работы ЭХГ, так как в ней заложены все ограничения, связанные с необратимыми потерями энергии, Термодинамика (см. й 2,1) позволяет описать одну точку на кривой (1=1(1) — ЭДС Ем равную напряжению разомкнутой цепи (1=О). В остальных параграфах главы будет рассмотрена возможность описания процессов генерирования энергии (1чьб).

Если Е, можно достаточно точно рассчитать, пользуясь современными методами термодинамики, то, как это показано ниже, «нсравновесная» зона кривой (1=1(1) может быть получена лишь качественно: кинетика генерации энергии связана с глубинными процессами, количественное описание которых затруднено. 2Н. ОснОВные элементы химическОЙ теРмОдинАмики. РАВНОВЕСНЫЕ ПРОЦЕССЫ В первом приближении ЭХГ может быть рассмотрен в сопоставлении с некоторой теплосиловой установкой. В отличие от обычной теплосиловой установки в ЭХГ реакции между топливом и окислителем локально разделены (т.

е. протекают на разных электродах); в системе отсутствует стадия выделения и превращения тепловой энергии. С термодинамической точки зрения последнее обстоятельство позволяет рассматривать ЭХГ как одно- 38 температурную систему (обычная теплосиловая установка всегда, по крайней мере, двухтемпературная система). Соответственно этому изменяется и роль окружающей среды, которая в зависимости от обстоятельств может быть как теплоприемником, так и источником теплоты (в обычной теплосиловой устанонке окружающая среда всегда тсплоприемник). Последнее замечание означает, что при определенных условиях часть энергии окружающего пространства может быть преобразована в электрическую.

Термодинамика обратимых, т. е. равновесных процессов без самопроизвольных реакций, позволяет определить несколько важных для практики параметров ТЭ, в том числе КПД т) и ЭДС Ем Для описания равновесного процесса мы представляем ТЭ в виде двух электродов, находящихся в контакте с электролитом и соединенных внешней цепью. Под напряжением такого ТЭ будем понимать разность потенциалов между конечными металлами, причем металлы эти должны быть одинаковы.

Потенциал отдельного электрода может быть определен также по отношению к некоторому другому, названному элентрсдом сравнения (за такой обычно принимают водородный электрод). Величина Лф=ф1 — фа=(1 и будет являться рабочим напряжением ТЭ. Чрезвычайно важным является то обстоятельство, что хотя отдельные потенциалы ф, называемые внутренними потенциалами илн потенциалами Гальвани, мы измерять не можем (ф — потенциал внутри фазы, отнесенный к бесконечно удаленной точке в незаряженном вакууме, и при переходе через границу фаз необходимо учесть неизвестную работу по перемещению заряда), но разность Лф поддается измерению, Равновесное состояние, характеризующее Лф=ЕН пе является статическим: даже прн суммарном токе, равном нулю, происходит реакция на электроде, причем через границу осуществляется обмен носителями Образующийся «равновесный» ток назван током оомена 1В Физически он характеризует скорость установления потенциала электрода и его чувствительность к нарушению равновесия.

Нашей дальнейшей целью будет определение значения ЭДС. Введем несколько термодипамических параметров, характеризующих поведение равновесного ТЭ [2.1, 2,21. Во-первых, отметим, что ТЭ работает в изобарно-изотер- 39 неравновесного процесса от равновесного: Пп=(У(ЕЬ, где Н вЂ” напряжение на ТЭ. Предположим, что активные вещества — идеальные газы с постоянной теплоемкостью (учет отклонения от идеальности и переменности теплоемкостей не представляет принципиальных трудностей) !2.3]. Тогда, учитывая, что Н, =Н +с Т, а давление и температура постоянны, имеем Я = — (Хч,Н + ТХч!с ); ч, — ч» = — Хч,; )» ем = — Хч,л Т,р, где и; — стехиометрическне коэффициенты, входящие в уравнение химической реакции между активными веществами Хч»В,=О.

Обозначим — Хч,Н„/р = а; — Хч,с~~ р = — Ьб -- Хч! ! р = А. Тогда (з !Ь=.а+ЬТ; — 'з- ~'=АН,Т)р Подставив полученное значение Яр/р в уравнение для ЭДС,' получим Е,—.=а+ЬТ+Т (--:-';) /ди» '» р В результате интегрирования по Т (при р=сопз1) получим Е,=а — ЬТ!п Т+ Т! (р).

(2.8) Произвольная функция давления 1(р), появившаяся при интегрировании по Т, определяется на основании (~ — о! =-)/,— 1'; Т ! .=-АР Т и, следовательно, )(р) =-А!» 1п р)р; Таким образом, ЭДС газового ТЭ равна Е,= — Хч,.Н + — Еч,с Т!пТ вЂ” —" Н Т 1п р/р,.

Из полученного выражения для Еь видно, что с изменением температуры Е, проходит через максимум; 42 температура Т", при которой Е, достигает максимума, определяется из условия — Ь вЂ” Ь1п Т' (-АН 1п р'р„.=О, Е,„,„=а+ ЬТ* Максимальное значение Е, будет равно нли Е .„=О,(Т') !р Проанализируем теперь зависимость КПД ТЭ ог температуры и давления а — ЬТ !и Т+ Айаг !и рУр» а+ ЬТ (2.9) термического (2.!0) Так как отношение Ь!а положительно, то максимальное значение термического КПД ТЭ всегда больше единицы. Так же как и Еь, КПД ТЭ меняется в зависимости от давления монотонно (при Хч;(О увеличивается и при Х»;)О уменьшается).

Пповеденный анализ относится к случаю работы ТЭ при температуре, равной температуре окружающей среды. Поскольку зто условие, вооб!це говоря, необязательно, рассмотрим особенности работы ТЭ, обусловленнь е неравенством температур ТЭ Т и окружающей среды Т'. Предположим вначале, что Т= Т'. Тогда для того, чтооы все процессы были обратимы, необходимо, чтобы между температурами Т и Т' действовала тепловая ма!пина Карно, обеспечивающая обратимый перенос теплоты от ТЭ к окружающей среде (когда теплота выделяется в ТЭ) или от окружающей среды к ТЭ (в случае поглощения теплоты ТЭ). Из условия обратимости процесса Л5*=0 имеем Б2 — Б, — ~!. я~Т'= 0 и соответственно (2.! 2) 43 Термический КПД элемента с изменением температуры проходит через максимум, достигаемый при температуре Ти,„„который определяется условием — 2аЬ вЂ” Ь'Т„„» — аЬ! п Ти„, + аАН 1п р,'р, .= О. Максимальное значение термического КПД а'+ 2аЬТ»»а»+ Ь'Т»та» ' а+ ЬТ»а» Яр а(а+ЬТ„„„) а ар ' ' — —.

(2.!!) чР ( г г) (гз-2 т' а термический КПД г)15,0 1,7О Ев,в 0,40 О(95 г,ап а,во 0,95 7,00 о ооа тапа т, к Сгнгваз) "5,50,(газ)- -» 1 Ссгчпнгс ода 0,55 а зоо заоа к,т Оннз(газ)" тог Оно,(газ)» Ег,В 0,9 Ев,В 7,7О з,го а,в 715 з,а5 .0,=1+ '. Т (дЕ ') /р (2.13) 1,10 а 500 гаво т,к 0,9 о,о — г Нго(гав) 7)1Ез~о 7,05 т,аа л)Ев 0 1,7 О з,а5 а Ваа зппп т, к Сич(газ) >го,(газ) Ссг(газ) 5гиго(газ) Ев,В 7,7О Т' (5~ — Ч,) — ()1.2 г ( г (2.14) получит1 0 7,9 г,г 7,1 7,0 0,9 о,'в 0,7 также Е)ь, ()1 2 7,05.

(2.15) 790 100 а Ваа гаао т, к ' г СНзОН 490г-» гос, аи,с 44 Прн выводе формулы для термического КПД надо учесть работу тепловой машины, переносящей теплоту (с'501.2 от окружающей среды к ТЭ пли обратно. Эта работа равна (Т вЂ” Т') Т вЂ” ' флер>.2 Т(Т'), Таким образом, общая работа Т ()Ьзо Т вЂ” Т лг=! — — (5,— 5,) — — ' Заменнв 5, — 5, через — Яз лл(Т', получим л 1.2 Т ~~~.2 Т вЂ” Г' ггз.л Ер т е)р т где 91.2 считается положительным, если теплота поступает от окружающей среды к ТЭ, и отрицательным, если теплота отдается ТЭ окружающей среде, Используя (2.12), выражение для т)1 можно представить также в следующем виде: Полученные формулы для гн относятся к тому случаю, когда все процессы как в самом ТЭ, так и при теплообмене с окружающей средой обратимы. Если процессы необратимы, то полезная работа будет меньше на Т' Л5', где Л5'=52 — 51 — (,)1 2)Т', и соответственно действительный КПД ТЭ Заменив 1.' на 7)1(,')р, а Т'(5,— 5,) на Выразив далее (;)1,'/(Ел через 7)7 — 1, получим окончательно 0=1+((1 ((гр.