1598005375-fdca24712b4dd3cd0f1922045b94d243 (811202), страница 38
Текст из файла (страница 38)
В этом случае падение давления на турбине составляет не более 0,1 падения давления в ОТЭС. При использовании концентрированного раствора конструкция турбины значительно упрощается, так как соответствующее падение давления может быть в 10 раз большим, чем для ОТЭС такой же мощности. Предварительные испытания устройства были проведены в 1979 г. на модели, обеспечивающей объемный расход пара 12,3 л/с прп использовании пресной воды и концентрированного рассола. Через поверхность теплообменника площадью 1 м' передавалось около 700 Вт мощности, расходуемой на испарение, при этом выделялось и рассеивалось около 10 Вт мощности, связанной с соленостной энергией.
Расчетная скорость потока пара составляла около 22 м/с. Внедрение цилиндрического теплообменного аппарата диаметром 30 и длиной 30 м с 10-метровым каналом для турбины позволяет надеяться получить при толщине стенки теплообменника 5 мм и площади его поверхности 7,5 !О' м' до 30 МВт мощности (ориентировочный КПД 40% ). Эта цифра получена при использовании концентрированного рассола и пресной воды. В случае применения пресной и морской воды мощность агрегата упадет до 3 МВт.
При использовании избыточного тепла от соседних тепловых и атомных станций и протнвоточного теплообменника могут существенно подняться рабочая температура и увеличиться выработка энергии. Выполненные на модели эксперименты показали, что подобная установка в настоящее время может создавать большие удельные мощности (по различным источникам от 2,5 до !О Вт/м') по сравнению с преобразователями осмотического давления (не более 1 Вт/м') и с обратным электродиалнзом, Одно из достоинств такого принципа перераоотки соленостной энергии — отсутствие !79 необходимости сложной подготовки воды, что чрезвычайно упрощает процесс переработки энергии. Этот способ вероятно позволит добиться минимальной стоимости энергии по сравнению с упомянутыми выше [21] и ближе других стоит к промышленной реализации. $7.».
Прямое преобразование соленостной энергии в электрическую Рне. 7ДВ. Днвлитическвя батарея Хля пряного преобразования солено«твой энергии в злектричеекую !1т! Прямые способы преобразования энергии всегда кажутся пред-' почтительными (исчезает необходимость в громоздких электромеханических генераторах), тем более что процесс электродиа-. лиза достаточно широко распространен в народном хозяйстве, являясь одним из основка !1 Вссь -в- -н-'-' я а ных процессов для получения ° О ° и ьь пресной воды в районах с раз- Й О ла'В Оьз ' витой электроэнергетикой. При обессоливании электродиали- Излглзн Я * тическим способом морскую лаЬ вЂ” 5 *~ (или другую солоноватую воду) пропускают через набор ячеек, разделенных ионообменными мембранами, обладающими свойством при достаточно низких концентрациях раствора пропускать ионы только определенного знака.
При одинаковых концентрациях в смежных ячейках на мембранах ничего не набльодается, но стоит наложить электрическое поле, как процесс перемщцения ионов принимает направленный характер, в результате чего в одних ячейках происходит снижение концентрации ионов обоих знаков, а в других — ее повышение. Для полного обессоливания воду пропускают через несколько батарей последовательно.
Раствор с повышенной концентрацией ионов либо используется для дальнейшей переработки, либо сбрасывается в водоем. При обратном электродиализе (в диалитической батарее) соленая и пресная вода подаются в различные ячейки, также ограниченные двумя разнотипными мембранами, через которые положительные (Ха+) и отрицательные (С!-) ионы проникают в пресную воду. Такое направленное движение электрических зарядов создает в замкнутой цепи ток (рис, 7.10). Ионообменные мембраны изготовляют из пористых полимерных материалов, способных фиксировать анионы и катионы с достаточно большой молекулярной массой. Например, в качестве катионообменной мембраны может быть использована пленка из сополимера поливинилхлорида и сульфитированного полистирола, на стенках пор которой фиксированы сульфитные группы БОз .
Анионообменная мембрана может содержать фиксированные (СНз)з группы Если по обеим сторонам такой мембраны (независимо от знака фиксированных ионов) находятся достаточно сильно разбавленные растворы электролитов с различной концентрацией, то на них устанавливается в равновесных условиях определенная разность потенциалов, отличающаяся знаком и определяемая по формуле Лгу = ~ (РтТ/Е) !п (с,/с,), (7.14) где знак «э» соответствует анионообменной, а « †» — катионообменной мембране; Р— число Фарадея (96496 Кл/моль); сз,,— концентрация.
Важная особенность ионообменных мембран — снижение величины проводимости при значительном повышении концентрацик растворов. Анионы и катионы в порах электрически взаимодействуют с ионами электролита, образуя двойные электрические слои. При определенных (достаточно малых) концентрациях поры в мембранах заполнены только ионами, несущими заряд, противоположный фиксированным на стенках пор анионам и катионам.
Ионы противоположного знака отсутствуют, а электрический контакт между растворами происходит только за счет перемещения ионов одного знака. При высоких концентрациях в полостях пор оказывается электронейтральная смесь катионов и анионов„ и мембрана становится простой диафрагмой, потенциал на которой определяется только различием в подвижностях ионов электролита [171, Для учета влияния подвижности ионов в предыдущее выражение необходимо добавить множитель вида (т„— т,), где т, и т,— числа переноса однозарядных катионов и анионов„ зависящие в общем случае от концентрации электролитов, контактирующих с мембраной, знака фиксированных ионов и структуры мембраны.
Для катионообменной мембраны — в разбавленных растворах — тк -1, т, -О, для анионообменной — наоборот Соответственно изменяется и знак разности потенциалов. Для батареи, включающей Ль пар мембран, суммарная ЭДС Е=2ЛьЛгр. Это выражение удобно преобразовать, подставив числовые значения и перейдя от натуральных логарифмов к десятичным.
Тогда при температуре воды 25'С с погрешностью менее 2 % получим для ЭДС диалитической батареи простое выражение. (7.15'р Е = 0,12й/1~ — '. с~ Если с помощью этого выражения оценить ЭДС батареи из: 500 пар мембран, работающей на пресной воде соленостью 0,85о/ао и морской воде соленостью 35Ъ, получим разность потенциалов, равную 96 В. Выделяющаяся на нагрузке мощность опредесьяется по закону Ома для полной цепи с внешним сопротивлением /т и внутренним /1 Р = /'/с„= Е'»1„/Я + Я„)'. 18з Как и для любого источника тока максимальная мощность выделяется при равенстве сопротивлений внешнего и внутреннего участков цепи.
В этом случае, как отмечают В. А. Акуличев и В. В. Княжев [21), становятся минимальными капитальные затраты на строительство СоленЭС. Принципиально может быть рассмотрен и другой случай: Я„)/с, который реализуется, если ограничивающим фактором является расход пресной воды. СолеиЭС при этом работает в режиме, близком к холостому ходу, но зато пресная вода может практически использоваться до тех пор, пока концентрация соли в ней не сравняется с ее концентрацией в морской воде. Общее падение напряжения в цепи складывается из падения напряжения на нагрузке, на внутреннем участке батареи и на электродах.
Последняя величина сравнительно мала: для покрытого платиной анода (платинирование необходимо из-за того, что на аноде происходит восстановление иона С1- до молекулы С12) н стального катода (на нем выделяется водород) она не превышает 3 В. Сопротивление же внутреннего участка цепи может быть найдено как сумма сопротивлений мембран и отсеков пресной воды (сопротивлением отсеков с морской водой пренебрегаем). Выразив эти сопротивления через удельные проводимости, получим для внутреннего сопротивления выражение вида /7 = — (г, + г„+ з„— ), (7.17) Р Р где А — площадь каждой мембраны, м', г«, г — удельные сопротивления мембран, Ом.м', з„— ширина отсека пресной воды; ор — электропроводность пресной воды, Ом — 'моль — ' м'; ср — концентрация соли в пресной воде, моль м — ' Так как и числитель, и знаменатель дроби в выражении для могцностн включают величину концентрации соли в речной (пресной) воде, то было бы интересно определить, каково оптимальное ее значение, при котором мощность максимальна: простое уменыпение ср приводит не только к росту ЭДС, но и к увеличению внутреннего сопротивления.
Такой анализ был выполнен Д. Вайнштейном и Ф. Лейтцем [21[, Он показал, что для рассмотренного выше набора из 1000 мембран оптимальным значением оказывается ср — — 0,0259 моль/л, прп концентрации соли в морской воде с„=0,57 моль/л. Так как соленость речной воды колеблется в пределах от 0,005 до 0,015 моль/л, имеет смысл «доводить» ее концентрацию до оптимальной, добавляя морскую воду в речную.
При оптимальных значениях концентраций величина ЭДС диалнтической батареи оказывается равной 80 В. Возможна оптимизация модулей диалитических СоленЭС и по другим параметрам, но она, как отмечают В. А. Акуличев и В. В. Княжен [21[, затруднена. В качестве примера они рассматривают возможность снижения внутреннего сопротивления эа счет уменьшения расстояния между мембранами, указывая, что такое уменьшение приведет к увеличению энергетических затрат 182 на прокачку воды. Критичны к изменению и другие параметры..
Идея диалитического преобразователя не нова. По словам А. Голден, «ее пытались использовать, о ней писали, но в результате предали забвению уже в 50-х годах» [51[. Д. Вайнштейн и Ф. Лейтц вновь рассмотрели вопрос и провели серию опытов на стандартной электродиализной ячейке в конце 70-х гг. Экспериментальные результаты оказались в хорошем соответствии с теорией и внушают определенный оптимизм. Однако основные трудности способа на сегодняшний день не устранены. Так же как и в случае гидроосмотического преобразования, вопрос упирается в проблему создания дешевых долговечных мембран (для диализа она стоит более остро, чем для гидроосмоса), в проблему предварительной подготовки воды, без которой даже самые долговечные мембраны выйдут из строя из-за заиливания и механической порчи.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
