Отзыв оппонента 2 (Расчетно-теоретическое исследование процессов переноса в твердооксидном топливном элементе)

отзыв официального оппонента, к.т.н., заведующего лабораторией 3.2.2 ОИВТ РАН Власкина М.С на диссертационную работу Касиловой Екатерины Валерьевны «Расчетно-теоретическое исследование процессов переноса в твердооксндном топливном элементе», представленную на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 01.04.14 «Теплофизика и теоретическая теплотехника» Диссертационная работа Е.В.Касиловой посвящена разработке метода расчета массопереноса в электрохимическом генераторе (ЭХГ) с твердым электролитом. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов„списка литературы, включающего 135 наименований, и 1-го приложения.

Диссертация содержит 113 страниц основного текста, 59 рисунков, 12 таблиц. Содержание диссертационной работы соответствует паспорту специальности 01.04.14 «Теплофизика и теоретическая теплотехника». Первая глава работы посвящена краткому обзору промышленных разработок твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) и существующих методов расчета ТОТЭ. В главе 2 подробно рассмотрен массоперенос топливной смеси в пористом аноде.

Глава 3 посвящена исследованию гидродинамики и массопереноса топливной смеси в газовом канале ТОТЭ в зависимости от конструктивных особенностей элемента. В главе 4 на основе результатов глав 2 и 3 проведен расчет распределения плотности тока в конструкции ТОТЭ и вольт-амперной характеристики элемента с учетом особенностей массо переноса и гидродинамики в его конструкции. Актуальность темы диссертации Одно из активно развивающихся направлений электроэнергетики связано с разработкой энергоустановок на основе ЭХГ с твердым электролитом.

Такие установки характеризуются значительной термодинамической эффективностью электрохимического преобразования энергии„практически полным отсутствием вредных выбросов, возможностью когенерации тепла, низким уровнем шума и способностью работы на различных видах топлива. Создание технически применимых конструкций ЭХГ с твердооксидным электролитом связано с реализацией сложных тепломассообменных процессов внутри высоконапряженных пористых сред на основе керамических материалов.

В каждом конкретном случае это требует решения целого комплекса технических проблем по обеспечению механической и циклической прочности в условиях высоких температур„оптимизации необходимого термодинамического режима, разработки методики пуска и т.д. Решение этих проблем на современном уровне предполагает проведения большого объема расчетных работ. На сегодняшний день существует много математических моделей ЭХГ с кислородпроводящим электролитом, разработанных для определенной конструкции элемента и применимых в ограниченном диапазоне конструктивных и рабочих параметров. В то же время, актуальным и важным остается вопрос об определении общих закономерностей процессов в генераторе. В диссертационной работе Е.В.

Касиловой поставлена задача по разработке теоретической модели ЭХГ с твердооксидным электролитом, как основы практически применимого метода расчета, отличающейся учетом изменения концентраций топливной смеси вдоль газовых каналов топливного элемента. В расчете такого рода на сегодняшний момент сушествует острая потребность у разработчиков ЭХГ данного типа.

Научная новизна и значимость работы 1. Исс Исследовано влияние поперечного градиента давления на распределение концентраций компонентов топливного газа в пористом аноде ТОТЭ в приближении модели «запыленного газа» для широкого диапазона параметров микроструктуры ТОТЭ. 2, И Исследованы гидродинамика и массоперенос в топливном канале ТОТЭ для плоской и трубчатой конструкции элемента, Разработаны теоретическая и численная модели топливного канала и проведены расчеты при различных рабочих и конструктивных параметрах элемента.

3 Р . Разработана теоретическая модель ТОТЭ, позволяющая рассчитать распределение тока вдоль ТОТЭ и вольт-амперную характеристику элемента с учетом особенностей массопереноса и гидродинамики в его конструкции. В работе предложен инженерный метод расчета ЭХГ, позволяющий учесть влияние гидродинамических эффектов, что до сих пор было возможно лишь при помощи достаточно трудоемких и сложных численных вычислительных методов. Обоснованность и достоверность результатов работы Список использованной при подготовке диссертации литературы включает 135 наименований и состоит преимущественно из работ, опубликованных в течение последних десяти-пятнадцати лет. Это позволило при проведении работы опираться на достаточно актуальные и достоверные экспериментальные и теоретические данные. Особое внимание уделено анализу уровня техники для выбора численных параметров расчетных исследований.

Теоретические выводы автора, полученные в каждой из трех исследовательских глав„ подтверждены результатами собственных численных расчетов и сопоставлены с опубликованными экспериментальными данными. По результатам выполненных исследований и разработок автором опубликовано 1б научных работ. Результаты работы докладывались на большом количестве российских и зарубежных научных конференциях, что свидетельствует о достаточно глубокой апробации результатов диссертационной работы. Практическая ценность полученных результатов Разработанная математическая модель ЭХГ с твердым электролитом дает основу для инженерных расчетов генератора. Для целого ряда практически важных случаев предложены простые аналитические формулы, обеспечивающие получение достаточно надежных результатов. Разработанная математическая модель позволяет устанавливать взаимосвязь между рабочими и конструктивными параметрами ТОТЭ и его вольт-амперной характеристикой.

Замечания по диссертационной работе К представленной диссертационной работе имеется ряд замечаний по содержанию и оформлению: 1. В диссертации содержатся следующие опечатки: - стр. 5, 12 строка сверху, должно быть «пористом» вместо «пористогом»; - стр. 5, 19 строка сверху, должно быть «рассчитать» вместо «расчитать»; - стр. 10, 7 строка снизу, должно быть «90-х» вместо «90-х х»; - стр. 18, 2 строка снизу, лишнее слово «которых»; - стр.

38, 6 строка сверху, лишнее слово «чем»; - стр. 54, 2 строка снизу, должно быть «будем» вместо «будемо»; - стр. 59, 3 строка сверху, должно быть «существенно» вместо «существено»; - стр. 60, 13 строка сверху, должно быть с<вычислительной» вместо «вычислительно»; - стр. 71, 4 строка в таблице, должно быть «доля» вместо «доль»; - стр. 83, 7 строка снизу, должно быть «при заданных» вместо «призаданных»; - стр. 89, 11 строка снизу, непонятное предложение: «В работе 11151 была разработана [611 пРи Работе на смеси Н~+НзО+Аг»; - стр. 89, 5 строка снизу, лишнее словосочетание «в рассмотрение»; - стр.

90, 7 строка снизу, должно быть «массопереноса» вместо «масспереноса». 2. Во введении диссертационной работы автор не конкретизировал количество научных работ, опубликованных в изданиях, включенных в перечень ВАК. 3. В ходе численного моделирования автор получает численные значения для вполне конкретных газов (Нз, СО, НзО, Оз). При этом в работе не уточняется источник, откуда берутся свойства индивидуальных веществ. В определенной степени это ставит под сомнение достоверность полученных численных результатов.

4. На стр. 65 говорится, что для водяного пара неравномерность распределения концентрации максимальна вблизи входа в элемент, причем для плоской конструкции изменение концентрации водяного пара по длине элемента меняется немонотонно. При этом отсутствует объяснение данного немонотонного поведения.

Кроме того, не понятно, почему интегрально к концу топливного канала суммарная концентрация водяного пара уменьшается, а не увеличивается вследствие образования водяного пара на аноде (см. рис 3.10, стр. 66). 5. В своих численных расчетах автор использует такой параметр микроструктуры анода, как пористость (определяется как доля объема пористой среды„занятая порами).

Но при этом данный объем пор может быть заполнен порами разного размера (микро, мезо и макропоры) и структуры. Не понятно„как разработанная автором газодинамическая модель это учитывает. 6. На стр. 61-63 приводятся рисунки с распределениями продольной скорости в топливном канале для лабораторной плоской конструкции для различных значений скорости подачи топлива. Исходя из этих данных, бьпю бы полезно вывести зависимость максимальной длины канала от массового расхода топлива и геометрических параметров канала (ширина„высота). 7. В «практической ценности работы» не обозначены конкретные конструктивные параметры ТОТЭ, оптимизация которых могла бы быть выполнена с помощью разработанной в диссертационной работе теоретической модели.