1598005420-e4dffbb6ff09e4f6675580849e63fa88 (811210), страница 38
Текст из файла (страница 38)
Выбранный вариант указанных систем часто определяет структуру построения схемы ЭХГ в целом. Эти обстоятельства существенно сказываются на энергетических и массо-габаритных характеристиках установки и надежности ее работы. Требования получения высоких удельных энергетических характеристик, высокой надежности и живучести системы являются явно противоречивымн, н выбор параметров ЭХГ производят исходя из оптимизации лишь некоторых комплексных критериев. При выборе структурной схемы ЭХГ надо учитывать требование его минимального обслуживания или в пределе полной автономности в работе, высокой безопасности эксплуатации и особенно пожаровзрывобезопасности (см.
ниже). Также существенным, а иногда и определяющим требованием является требование наиболее простой конструкторской реализации. Прн проектировании ЭХГ большой мощности (десятки киловатт) необходимо решать вопрос о выборе оптимальных размеров его отдельных батарей ТЭ.
Построение ЭХГ большой мощности позволяет существенно облегчить требования обеспечения надежности за счет некоторой избыточности числа батарей ТЭ, что значительно расширяет возможность выбора нх напряжения. Построение схемы самих батарей ТЭ должно осуществляться с учетом наибольшей автономности нх работы в составе ЭХГ. Такое исполнение установки, а также построение самих батарей ТЭ па базе отдельных ТЭ, имеющих одну нли несколько параллельно соединенных пар положительных и отрицательных электродов, повышают технологичность изготовления ЭХГ, дают возможность проведения автономных испытаний ТЭ п батарей ТЭ па всех стадиях изготовления, а также сокращают брак. Структурная схема ЭХГ в общем случае включйет в себя следующие системы: а) набор ТЭ; б) систему вывода продуктов реакции; в) систему термостатпрования; г) систему заправки; д) систему продувки; е) систему автоматичс.кого регулирования и защиты; ж) систему хранения и подачи рабочих реагентов, Все узлы и системы ЭХГ могут быть выполнены на основе существенно различных принципов построения.
Ниже будут рассмотрены возможные варианты построения этих систем )5.1 — 5.3) па примере водородно-кислородного ЭХГ с жидким щелочным электролитом. 3.1.1. Батарею тз Батарея ТЭ представляет собой сборку ТЭ, скоммутированную электрически последовательно, параллельно или последовательно-параллельно, а также соединенную по рабочим реагентам последовательно, параллельно или каскадно. Весь опыт разработки ЭХГ различного типа подтверждает оптимальность построения систем ЭХГ па основе «едииичных» ТЭ.
Выбор размеров «единичного» ТЭ достаточно сложен и должен учитывать получение высоких удельных энергетических характеристик эиергоустановок, достижение требуемой надежности и технологическую целесообразность его конструкции. Наименее важным фактором выбора размерности «единичного» элемента является фактор «универсальности», т. е. возможность построения па его базе ЭХГ различной мощности.
«Универсальность» ТЭ важна в основном на этапе начальной разработки ЭУ. До выбора оптимального размера ТЭ необходимо определить рабочие плотности тока на единицу поверхности электрода. При выборе номинальной плотности тока стремятся к минимальной массе всей ЭУ, вклктчая систему хранения горючего и окислителя, и учитывают необходимый ресурс работы ЭХГ. Увелцчение плотности тока повышает удельные энергетические характеристики ЭХГ, но снижает его КПД, а следовательно, увеличивает запас топлива; умепшпение же плотности тока, наоборот, ухудшает удельные характеристики ЭХГ, но сокращает расход топлива. )98 Из сказанного выше видно, что задача выбора плотности тока требует оптимизационного подхода. Расчет оптимальной плотности тока проводится на основе проектных характеристик ЭХГ и системы хранения топлива, Выбранное значение плотности тока может корректироватьгя с учетом ресурса, значения коэффициента перегрузок.
Выбор типа электрического соединения производится с учетом следующих обстоятельств: а) соразмерности мощности единичного ТЭ с мощностью ЭХГ; б) требуемых напряжений ЭХГ; в) вопросов повышения надежности. Третье обстоятельство требует некоторого пояснения. Параллельное соединение ТЭ внутри батареи ТЭ значительно повышает надежность за счет того, ччо в случае частичного отказа одного из ТЭ, например вследствие потери активности электродов, недостаточного снабжения газом, поляризации электродов посторонними примесями и т. д. ТЭ, соединенный с нпм параллельно, оерет ббльшую нагрузку п выхода из строя ЭХГ в целом ие происходит.
При выборе размеров ТЭ на указанную плотность тока следует кроме указанного выше учитывать специфику пневмогидравлических и электрических соединений. Для выбора количества ТЭ, входящих в одну батарею ТЭ, надо учитывать схему соединения их по рабочим реагентам и в первую очередь — по водороду. При соединении ТЭ по водороду существуют различные схемы — последовательная, параллельная или каскадная. Тип соединения ТЭ по водороду тесно связан со структурой системы водоотвода.
В динамической системе вода, как правило, выводится по контуру водорода (описание этого контура будет дано в соответствующем месте). Соединение по кислороду. также может быть выполнено по вариантам последовательного, параллельного, каскадного п так называемого «тупикового» соединений.
При параллельном соединении остро встают вопросы Равномерности раздачи реагентов по ТЭ и удаления пакоппвпшхся инертных примесей вследствие возможного образования конденсата в подводящих трубопроводах. Последовательное нлп каскадное соединение ТЭ значительно улучшает работу ТЭ при капельной конденса) чч ции, по требует организации газовых трактов с весьма малым ги,чрзвлическим сопротивлением. Тупиковое соединение по кислороду предусматривает соединение элементов только одним коллектором, через который подается рабочий гзз в ТЭ и произволится «продувка-промывка» путем перекрытия подачи кислорода и сообщения коллектора с атмосферой.
Такая система во многом сочетает преимущества прелыдущнх двух способов газовой коммутации. 5ЛЗЬ Подсистема вывода продуктов реакции Подсистема вывода продукта реакции (воды в случае кислородно-водородного ЭХГ) и поддержания постоянной концентрации электролитз в достзточно узких пределах является одной из самых сложных подсистем ЭХГ. Вывод волы нз ТЭ может быть организован многими способамп. Способы, нашедшие в настоящее время практическое применение, следующие: а) динамический с параллельной раздачей водорода; б) динамический с последовательной раздачей водорода; в) статический, Динамический способ вывола воды при параллельной раздаче нодорода предусматривает циркуляцию водорода, который насыщается парами воды в ТЭ и, проходя через конденсатор, отдает эту воду посредством конденсации. Этот способ вывода воды был предложен, пожалуй, первым и в настоящее время чаще других применяется.
Нелостатками этого способа являются необходимость установки вентилятора плн эжектора и сложность достижения равномерной раздачи в услониях возможного образования капель конденсата в подводящих трубопроводах. Динамический способ вывода воды с последовательной раздачей водорода предполагает использование потока водорода, илущего на реакцию, для вывода воды. Вода, испарнвшзяся в водород из ТЭ, коплеисируется в специальных устройствах (конденсаторах), расположенных схемно межлу ТЭ, Этот способ отвода воды не требует включения в схему ЭХГ вентилятора нли эжектора и диктует более мягкие требования к термоизоляцни, однако требует организации волородного тракта с малым гидравлическим сопротивлением.
200 Статическии отвод воды предусматривает диффузныи ее перенос из электролита в водяную камеру с более низкой температурой через пористые разделители. Статический вывод воды может быть организован как внутри каждого ТЭ, так и прп общем для всех ТЭ электролите в специальном агрегате. Баланс воды в ТЭ может полдерживаться за счет регулирования температурными уровнями поверхностей испарений п конденсации, изменения расхода газа в контуре вывода воды, а также за счет так называемого саморегулирования.
В случае выбора способа баланса вочы за счет саморегулирования используются внутренние физические обратные связи процессов испарения и конденсации. Большую роль в организации вывода воды играет выбор системы общего или раздельного электролита. Общий электролит дает возможность наиболее простого и нздежного способа регулирования концентрации электролита, а также почти снимает требование к ранномериости вывода воды пз ТЭ. Олнако применение этого способа для ЭХГ с напряженнем более 15 — 25 В становится практически невозможным из-за; снижения КПД по току; возникновения процессов электрокоррозии деталей электролитного контура; возникновения трудностей прн организации контура электролита, связанных с требованием равномерной раздачи двухфазной среды (электролит + реагенты).
По теж и ос д, р ание постоянной концентрации электроли а уществляется принципиально разными способами и и ролита ческой сн диктуется выбором способа вывода воды. П и и ри динамиподде >канне й системе вывола воды и раздельном алек стролпте р е постоянной концентрации электролита значительно осложнен о тем, что прихолится регулировать пршп ппа о ъект с распределенными параметрами. Применение м' -либ саморегулирования и регулирования по кзкометр не га у- ~ о обобщенному (как правило, косвеш ) иному) пзратролитз в кзж ом у гарзнтирует поллержанпя концентрации и элек- В ьзжлом из ТЭ в достаточно узких пределах вывода во ы опрос устойчивости работы системы регулир рования воды в этом случае стоит особенно остро. Применение схем с использовать систему регулирования вывода воды жесткой отрицательной обратной связью.
Это сааза ю т связано ц ~ рация электролита, его уровень или 201 обьем являются обобщенными параметрами (для всех элементов) и установка датчиков нли сигнзлпзаторов, контролирующих этп параметры, позволяет построить систему регулирования. Исполнительными механизмами этой системы могут быть вентилятор водорода (для динамической системы вывода воды), задатчики температуры контуров (основного и конденсата), устройство возврата воды и т, д. регуляторы позиционного и пропорционального закона регулирования обеспечивают приемлемую точность при их достаточной простоте.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
