1598005420-e4dffbb6ff09e4f6675580849e63fa88 (811210), страница 44
Текст из файла (страница 44)
Электролы разделены полным раствором гидроокиси калия. В процессе работы ТЭ в пем образуется вода и выделяется теплота. Вода образуется со стороны водородного электрода Принимается, что образующаяся вода поступает в электролит и перемешивается с ппзг, т. е. испарение воды происходит из электролита. Количество образующейся воды согласно закону Фарадея пропорциональна току нагрузки Колпчество выделяющейся теплоты определяется теплотой диссоциации при электрохимической реакции, омическим сопротивлением и поляризациояными потерями и равно Р=)(Е« — и), где 1 — ток нагрузки; Еа — фиктивное значение ЭДС, рассчитанное по тепловому эффекту реакции; 0 — напрянгение ТЭ.
Принимается, что выделяющаяся теплота распределяется меигду электродами равномерна. Поток водорода, проходя над поверхностью электрода, частично потребляется на реакцию, подогревается и насыщается парами воды за счег ес испарения. Со стороны кислородного электрода располохген теплообменннк для съема теплоты. Очевидно, что поле температур и копцентрацяй электролята в реальном ТЭ должно быть описано весьма сложной системой дифференциальных уравяспий, решеняе и анализ которых представляет значительные трудности. Введем яекоторыс попущения, позволяюппге провести количественные оцеикп и выявить основные зависимости, пе искажая существа протекающих процессов.
Основные даиущенлл и уравнения тепгамассаобмгиа 1. Рассматриваем стационарный во времени процесс. 2. Прапесс токообразования протекает равномерно по всей поверхности электрода и не зависит от температуры и концентрации электролита. 3. Коэффициенты тепло- н массообмена нрипимаем постоянными по длине электрода 4. Концентрацяя электролита в паровом пространстве постоянна. 5. Теалопроводности в газе и электролите не учитываются, так как они малы по сравнению с теплопроводнастью электродов. 6. Утечками теплоты с поверхности ТЭ пренебрегаеч. 7.
Рассматриваем одномерную в направлении потока водорода задачу, поскольку основной градиент температур и концентраций имеется в направлении потока. 8. Скорость диффузии пара с поверхности электрода в потоке водорода определяется формулой Дальтона (5.8), которая справедлива для стационарного процесса влагопереноса прн яспарснии жидкости са свободной поверхности. 9. Не учитывается зависимость физических свойств электродов, электролита и хлалоагснта от температуры С учетом сделанных допущений система уравнений зспломассообмена для рассматриваемого случая примет следующий вид.
Уравнение теплового баланса для потока водорода (5.5) (5. 6) (5.7) "Изч, Н, 1 3,36У, 4?х м, 9 (5.8) Граничные условия: 1! н,о,! к=е 4?~ н,о, ! ?х Ркон=Р (1 — 4()$'С,и+ВСН г?С 4?Х 15* 3,36 + зал(ГН,О, з — сн1о, !) с,зз гзте — — 9- Усрзз т,, (5,1) г-н.о, ! зз где Оаз,, (х) =- (и,"„' и — Р 14 ох) ( 1+ С вЂ” '--' — ) — массовый Расход Н10. 2 пароводородной смеси; Я~" н — массовый расход сухого водорода на сходе в элемеит; я"н — уде.чьный расход водорода, гютребляемый На РЕаКЦИЮ; Сн о = Рн ОГУГН гТ вЂ” КОНПЕитРЗЦИЯ ВОДЫ В ПОТОКЕ ПаРО водородной смеси; а, — коэффициент теплоотдачи от электрода к потоку водорода; Т, — температура потока водорода; ц — коэффициент массо(влаго)обмена.
Уравнение теплоного баланса для водородного электрода 4?еТе а ?е 1 е — — 14 (Сно з Гно з) (с нОГ1+г)+ йе Т, — Т йе,г аТ , 3,36 + 1, 1, + -й - — 1, (Те — Тз) — - -1 — Уср Н, Р' — Тз) (5 -) где Т, — температура водородного электрода; д„,' — тепловыделение Н, на водородном электроде; О„,' + е?„,' =(Е,Ь вЂ” 0)У 104; Π— напряи,, о, женззе элемента; Еэ — фиктивное значение ЭДС ТЭ, рассчитанное из теплового эффекта реакции; У вЂ” плотность тока, снимаемого с ТЭ; г — теплота испарения.
Граничные условия; СН,О,! 1к=е = СЙО, !. Уравнение баланса масс для электролита " Сн,о з 3,36У вЂ” Он о бхк 1, - — йрк(СН о з — г и о !), (5,3) где Сн о э — — у(1 — Скон?100] — концентрация волы в электролите; Сксзн массовая концентрашзя электрочитз; у — плотность электролита; Рн о — коэффициент диффузии воды в электролите. Поскольку достоверных зиа ~евнй коэффициента двффузии годы в электролите в литературе найти не удалось, принимаем, ~то Вн Π— — Окон (ЭтнМ ДОПУЩЕНИЕМ НЕСНОЛЬКО ЗанезигастСЯ ПОТОК ВОДЫ, поскольку известно, что Рн о ) Рдон). Коэффипиент диффузии щелочи в электролите зависит от температуры и конпентрации )1.1)! где А,  — эмпирические коэффициенты; См — малярная концентрация; О,— коэффициент диффузии пр~ бесконечном разбавленин. Используя приведенное соотношение и эксперимеиталызые ре- 226 зультаты, получаем зависимость коэффициента диффузии Окон о? температуры и массовой концентрации: Око!, — 3,02 !О-' Т (1 — 1 215 Р Де(!+як) + + 3,39йк (! + як)), (5.
4) где йк=С?100 — концентрация электролита. Граничные условия: 4?СЫ,О, ~ г?С Н,О, З ~ — 0 4?х (к, г?х Ураввснис теплового баланса для кислородного электрода о, Г?еТ4 Рзст ? е, Те — ?'е йе Т, — Т, йе 1х' й, 14, й, 14, й, где Те — температура кислородного электрода.
Граничные условия: и — „'( =л — „'( =о. Уравнение теплового баланса для хладоагента 4?Те ? 4 Ге Я,тес = д, 44. ка Рзабх — Ук где ??еф — эффективное термическое сопротивление теплоотдачи от кислородного электрода к хладоагенту; с„,„ — тсплоемкость хладоагента; Те — температура потока хладоагента. Уравнение баланса масс для потока водорода лс 1 с) = — 0 — — *+ ш(х) — С »,н, — — н, з(н А?н 1 г?СН,О 1 1 0 . н,о =- Рн,о,ц 4?х +и'(х) ы Сн,о,з, НО Н,О где Рн = О, Π— коэффзщненты нзаимной диффузии паров воды в водорода; 4?0 Окь н,о, ! ам б„й4„(Сн,о, э Сн,о, !). 15 9) где Х вЂ” Х вЂ” е.р — —,„— х .
(5.15) 3,36 — 9 Тор нэо Т1 (5.10) т» — (»)„»» Х) = Т(х(Х,— Х) д (5.12) нлн 228 Так как скорость потока и(х) меняется иезначитей!ьна, то вместо (5.7) я (5.8) можно записать д Сил п ! '!Снэо, ! — "н,о,»хэ ' -+ ш д, ' — = 1,,' (Сн,о. з — С!»,о, !) ' дэСН,!С„ — ГУ вЂ”; — --+ ю * —" — У.
н чх» Ис 9 Таким образом, получена замкнутая система дифференциальных уравненяй, описывающих процесс тепломассообмена в ТЭ. Аналитическое решение полу !синай системы представляет известные труд. насти. Решеяис полученной системы удобнее производить численным методом с применением ЭВКС Однако для некоторых частных задач, представляющих практический интерес, можно получить решения системы уравнений в явном виде. Температура и концентрация электролита постоянны ло длине электролити Данный случае представляет практяческий интерес пря рас.
смотрения систем как с циркулярующнм электролитом, где постоянство температуры я концентрации обеспечивается за счет цириуляция электролита, так и с раздельным электролитом прн умеренных плотностях тока, когда градиентами температур я копцептрацяй электролита можно пренебречь Для рассматриваемого случая система дифференциальных уравненяй существенно упростится, Для удобстна в данком случае уравнения запишем ие для концентрацяй паров воды, а для влагосодержаннй. Уравненяе теплового баланса для водорода примет вид (»)эь ср,Т,) = итй(уэ — Т,) + Кэд(Хэ — Х,) с н о Тэ — ( с»х где !)„,(х) = (Оэях» — р!» дх) (1+ Х) — массовый расход водорода; !2~„* н — ф н +»»„н 1 Х вЂ” относительное массовое содерм<аняе воды в потоке водорода; К вЂ” коэффициент массоотдачи, отнесенный к разности влагосодержанпй, т»»н,о '! Хэ+ М ) э ,,) и — постоянный коэффяцяент; Х,— влагосодержанме прн температуре электрода.
Уравнение матеряальиого баланса имеет вид „вЂ” ((»»'" ! — Рн йх) Х) =- Кк(Хэ — ) )!осле преобразованяй получаем К„ Т К, — Хэ (К * Рэ Х эх!Уч э — КН, (, э — УН,' ".-'*н, эк »)эь Н, ! »гэ, Н, — — * Хэх эх =- »)эс Н, РН,йк Предельное значеняе влагосодерткан!»я Х,э,я, к которому стремятся влагосодержаняе пароводородпой смеси, определяется выра- жением К,— кэн, Гт эх ° КН, Х„вэх — Х Г О,„н — дн эх (5.!4) Մ— Х*,„ Обычно расход водорода в СУВ значительно превышает расход водорода, ядущего на реакцию. Следовательно, с точностью, достаточной для янженсрных расчетов, можно расходом яа реакцию пренебречь, тогда выраженяе (5.14) примет вид Среднее па дляне элеитрода количество воды, удаляемой с поверхности электрода, должно равняться количеству образующейся воды, т, е, ! ! — ~ К„(Х, — Х) ~1~ = рэн гк а После преобразований поту !нм, !та кош »ество воды, удаляемой из ТЭ, !»и н»у= »)„, !» (Хиэ» — Х„,) пРопоРционально РасходУ циРкУ- лируюшсго водорода и разности влагосодержаний па выходе н входе в ТЭ.
Температуру пароводородной смеси пря известной темпеРатуре поверхности электрода можно определить яз уравиеняя (519). Когда можно не учитывать расход водорода, потребляемого на реакцяю, т. е. »)*н .=ф, и — — сапа(, температура смеся апре. деляется выражением ннур Т,(х) =- т»г,ц 'и эь н, Я,э н,(Хэ Хэх) +! +! с,о с О М (!+Х) и'«нз (1+Х ) К ' ( 6) й(ы рассмотрели процесс тепломзссообмена в ТЭ при испарении воды в ныяуждснный поток водорода.
Однако для построения системы удаления воды, как указывалось выше, необходимо исследова1ь процессы массоперсноса, протекающие чежду ТЭ н агрегатами СУВ, и установить взаимосвязь основных параметров СУВ. Осноеныс лараметрьс СУВ В самом общем случае баланс воды в батарее ТЭ характеризуется рядом параметров, например температурой батареи, концентрацией электролчта, количеством удаляемой и образующейся воды, зависящих от большого числа внешних воздействий (давлеиие, ток нагрузки, расход водорода и т п.].
В общем анде установившееся состояние СУВ будет описываться довольна громоздкои системой уравнений (5.9) Уевых = )~(Усев Уевх ° Уы вх) Уееых = !е(Усвх У»ее ° ° Ут в«) (5.17) У! еых= 7! (У~вх Уевх» ° У«ее«) гле у~вы«, у»вы», ..., Угеы* — выходные параметры системы; у„,, у»ее, ..., у в* — внешние воздействия иа систему, Анализ данной системы уравнений с учетом влияния всех параметров иа условия массоабмена в батарее и конденсаторе на данном этапе представляет значительные трудности.
Задача существенно облегчается, если принять следующие допущения. 1. Вольт-амперная характеристика батареи ТЭ в рассматриваемом диапазоне изменения параметров линейна и не зависит от температуры и концентрации электролита. 2. Процесс массообмсза в контуре протекает при изотермнчсскнх условиях, т. е. при фиксированных температурах батареи я конденсатора, причем батарея и конденсатор при этом рассматриваются как «черный» ящик, Параметры пароводородной смеси на выходе из батареи определяются решением системы уравнений (5.10), (5 16), а параметры смеси иа выходе из конденсатора — температурой конденсации.
3. Расход водорода в контуре циркуляции постоянный. 4 Водород и электролит в ТЭ находятся в тепловом и массообмеяном равновесии, т. е. влзгосодержаяие зависит талька ог температуры и концентрации электролита. Принятые допущения позволяют, не нарушая существа физических процессов, протекающих в СУВ, проанализировать взаимное влияние параметров на баланс воды в ТЭ батареи, С учетом принятых допущений сисгема уравнений (6.17) примет вчд: напрямгенис ТЭ ()=Е« — а( (5 18) где Ее — напряжение элемента при нуленом таке нагрузки; ! — так нагрузки; а — коэффициент пропорциональности; 230 количество образующейся воды согласно закону Фарадея 97 Е' н!у —— —. 3690=-0,3367! (5.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
