Изучение массопереноса в аппаратах статического типа проводилось рядом зарубежных фирм, которые ис­пользовали в ЭХГ статическую СУВ.

Статические СУВ подразделяются по месту располо­жения аппарата, выводящего воду, на системы встроен­ного типа, когда испарителем служит электрод матрич­ного ТЭ, и вынесенного типа, когда продукт электрохи­мической реакции транспортируется электролитом в спе­циальный, служащий для отвода воды аппарат—кон­денсатор-испаритель.

В матричном ТЭ объем электролита сосредоточен в электродах ТЭ и разделяющей их капиллярной матри­це и поэтому мал. Для того чтобы значительно изменить концентрацию электролита в таком ТЭ, не требуется большого дополнительного объема. Таким образом, не­большие изменения объема электролита в результате разбаланса приводят к заметным изменениям его кон­центрации, что сказывается на изменении характеристик внешнего (в парогазовой среде) массообмена и позволя­ет применить к матричному ТЭ со встроенной системой удаления воды принцип саморегулирования. Дополни­тельный, или буферный, объем, сосредоточенный для это­го случая в самом ТЭ, должен быть выбран таким обра­зом, чтобы в области изменения рабочих параметров не наблюдалось нарушения границы раздела фаз (соедине­ния Н2 и 02) и вытеснения из ТЭ электролита. Вопросы баланса теплоты и масс в ЭХГ такого типа тесно свя­заны.

В СУВ с вынесенным конденсатором-испарителем циркулирующий электролит дает возможность при раз­балансе компенсировать объем электролита, например путем возврата в электролитный контур части воды, образовавшейся в ТЭ.

Важнейшие вопросы, которые определяют принципы расчета аппарата вынесенного типа, следующие: меха­
низм переноса в электролите в условиях полупроницае­мости; туманообразованне в зазоре; рабочий зазор аппа­рата; выбор материала разделителя фаз (никель, асбест, гидрофобный материал и т. д.); выбор рабочего газа и давления в зазоре.

Соотношение Стефана применимо и к жидкостным растворам, причем справедливо как для раствора электролита в пористой струк­туре, так и для жидкого раствора в свободном состоянии, на по­верхности которого происходит испарение или конденсация. Этот вывод справедлив при следующих допущениях:

при изменении концентрации раствора общий объем жидкости равен сумме объемов компонентов;

температура раствора одинакова по объему; коэффициент диффузии не зависит от концентрации.

Таким образом, массоперенос в полупроницаемой мембране, про­питанной щелочью, следует рассчитывать с учетом следующих урав­нений:

При испарении с поверхности мембраны

'ii® . С20 /, = ■—г - ш ж— . р, о С25

В уравнениях (5.38) — (5.40) ц — плотность потока воды в элек­тролите; Yi^lO3 кг/м3 — плотность воды; р — коэффициент ослаб­ления диффузии пористой структурой мембраны; С2 — концентра­ция щелочи; С2о—концентрация щелочи на поверхности раздела фаз, г/см3; С2І —концентрация щелочи па поверхности мембраны, обращенной к электролиту; D — молекулярный коэффициент диф­фузии; б — толщина мембраны, м.

Если при изменении концентрации раствора общий объем жид­кости равен сумме объемов компонентов, то коэффициенты диффу­зии компонентов, составляющих раствор, равны, т. е. Z)1=Z>2=b.

Учет стефановского течения в жидкостях позволяет существен­но сблизить имеющие место расхождения между теорией и экспе­риментом, что подтверждено, в частности, экспериментальными исследованиями.

В процессе диффузии водяного пара из горячей пропитанной раствором электролита матрицы к холодной поверхности сквозь слой неподвижного газа возможно туманообразованне, возникающее в том случае, когда давление водяных паров в зазоре больше дав­ления насыщения, определяемого температурным полем в зазоре.

В совместно протекающих процессах тепло - и массообмена не­которая часть теплового потока тратится на нагревание или охлаж­дение движущегося пара, поэтому профиль температур в среде

с неподвижным газом в общем случае нелинеен, а пересыщение за­висит от ряда параметров парогазовой смеси [5.181.

Для рассматриваемого случая интеграл уравнения энергии мож­но записать в виде

т=т«-(~ТЇ^і~){'-е8Х)’ (5-41)

где g—jCp/A,~const.

В общем случае распределение парциальных давлений также нелинейно.

С учетом потока Стефана

(5.42)

При атом из (5.44)
5

Таким образом, пересыщение зависит от комплекса параметров; расчет и сравнение с экспериментами [5.22] приведены на рис. 5.19

Рис. 5.19. Зависимость параметров от безразмерной координаты зазора § = я/б. / — парциальное давление пара, найденное из выражения (5.44); 2 — температура, рассчи­танная по (5.41); 3 — давление насыщенных

паров, определенное по температуре кривой 2; 4 — давление насыщенных паров, найденное из условия линейности распределения темпе* ратур; 5 — пересыщение, достигаемое по урав­нениям работы [5.22]; 6 — по уравнениям

(5.44) н (5.41); Сплошные линии — воздушный
зазор 3—12 мм; пунктир — воздушный зазор
60 мм.

Рис. 5.20. Зависимость отношения пересыщений от температуры испари­теля при температуре конденсатора 5°С для водяного пара и возду­ха, 5=0,5, 6=12 мм.

Si — пересыщение, опреде-
ляемое уравнениями из
[5.22]; S2 — пересыщение по
уравнениям из [5.18].

И 5,20. Учет пересыщения является необходимым условием правиль­ного расчета аппарата, особенно для условий невесомости.

Процессы тепломассопереноеа в аппаратах вынесенного типа с плоской геометрией зазора описываются девятью уравнениями, которые включают в себя уравнения теплового баланса и теплоот­дачи со стороны циркулирующего электролита и хладоагеита, теп­лового баланса в зазоре, уравнение диффузии с учетом потока Сте­фана в пористой полупроницаемой мембране, массопереноса в га­зовом зазоре также с учетом потока Стефана и зависимости давле­ния насыщенных паров над водой и раствором электролита.

Расчет этой системы уравнений для каждой конкретной задачи определяет оптимальные геометрические размеры аппарата стати­ческой системы, род рабочего газа, зазор и т. д.

Можно отметить следующие общие закономерности как следствие решения системы уравнений.

Эффективность статического способа удаления воды в аппарате вынесенного типа возрастает с уменьшением общего давления в рабочем зазоре.

Применение конденсатора-испарителя в качестве единственного аппарата, обеспечивающего одновременно балансы теплоты и масс в ЭХГ, с точки зрения массо - габаритных характеристик—неэффективно. Удельные характеристики системы, отводящей одновременно теп­лоту и воду из ЭХГ при статическом способе отвода про­дуктов реакции, улучшаются, если одновременный про­цесс отвода теплоты и воды проводить в двух раздель­ных аппаратах—теплообменнике и конденсаторе-испари­теле.

$•5.3. Проблема разделения фаз

Применение полупроницаемых поверхностей сущест­венно облегчает задачу разделения жидкой и газовой фаз в конденсаторах, особенно в схемах с последова­тельной раздачей рабочего газа, когда образующийся конденсат может быть удален через гидрофильный мате­риал типа пористого никеля или асбеста, размеры пор которого могут быть подобраны таким образом, что при определенном перепаде давления через разделитель про-

Ходит весь образующийся конденсат без проникновения газовой фазы.

Длительное применение такого пористого фильтра приводит к падению его проницаемости, причины которо­го могут быть чрезвычайно разнообразны.

Прежде всего это наличие в конденсате взвешенных частиц. В этом случае течение сквозь пористый раздели­тель можно рассматривать как задачу классической фильтрации. Известно, что проницаемость одной и той же пористой среды для жидкости отличается от проницае­мости для газа, т. е. отношение скоростей фильтрации газа и жидкости не равно отношению их вязкостей. Кро­ме того, процесс фильтрации жидкости протекает неста­бильно: отношение газопроницаемости материала к про­ницаемости при фильтрации жидкости является величи­ной переменной. Есть предположения, что указанные явления вызываются увеличением вязкости жидкости в узких капиллярах или кольматацией поровых каналов пузырьками растворенного газа.

Возможной причиной снижения проницаемости назы­вают также адсорбцию молекул на стенках каналов, приводящую к облитерации последних.

Учитывая полярность молекул воды, можно предпр - ложить, что существенную роль играет ориентация моле­кул в канале. Известны работы о действии электриче­ских сил на процесс фильтрации.

Отметим лишь некоторые факторы, обусловленные явлением электрокинетики: наличие двойного электри­ческого слоя на границе раздела жидкости и материала стенок пор при принудительном движении жидкости в порах приводит к появлению потенциала протекания, тормозящего это движение; наличие двойного электри­ческого слоя на поверхности частиц в жидкости меняет механизм фильтрования; наличие остаточного электро­статического поля в порах, вызванное неподвижно заря­женной обкладкой на их стенках, вызывает эффект роста вязкости жидкости.

Перечисленные факторы являются лишь одной сторо­ной изучаемого явления.

Многократное и тщательное изучение авторами состава реак­ционной воды из водородно-кислородных ЭХГ установило факт исключительно высокой ее чистоты, существенно превышающей чистоту дистиллированой воды и приближающейся по составу к воде, применяемой в полупроводниковой промышленности.

Однако сама вода — объект, в значительной мерс малоизучен­
ный. Сегодня имеется достаточно много моделей структур воды [5.19], но ни одна из существующих моделей нс может объяснить все многообразие ее свойств. Известно, что структура воды неустой­чива, поэтому различные внешние воздействия часто приводят к изменению структуры и, следовательно, физико-химических свойств воды. Зачастую такое состояние метастабильно и после устранения причин, вызвавших его, вода с той или иной скоростью релаксирует к своему прежнему состоянию, что объясняется структурными пе­рестройками на межмолекулярном уровне, и, следовательно, способ получения воды обусловливает особенности ее физико-химических свойств в течение некоторого времени.

Хорошо изучены свойства воды в некоторых случаях метаста - бильных состояний, например талой, свежесконденсированной, акти­вированной и подвергнутой магнитной обработке.

Так, талая вода отличается от обычной воды своими физиче­скими свойствами: диэлектрическая проницаемость ее возрастает по­степенно, достигая табличного значения через 15—20 мин, а вяз­кость становится равной таблич - , і

ной лишь через 3—6 сут после плавления. ~~

Свежееконденсированпая ди­стиллированная вода обладает_______

повышенной плотностью и пони - Г~ " >1 Ї 5 с, л/см1

женной вязкостью и в течение не­скольких суток релаксирует к сво­ему исходному состоянию. Элек­трическая проводимость конден­сированной воды больше проводи­мости воды, полученной из льда.

Экспериментальные исследо­вания авторами проницаемости

никелевых разделителей как для дистиллированной, так и для реак­ционной «свежей» и «старой» воды, для воды, насыщенной кисло­родом и водородом, при различных температурах и перепадах дав­ления показали значительно (в 5—10 раз) меньшее падение про­ницаемости (рис. 5.21) для «свежей» реакционной воды по сравне­нию с данными остальных экспериментов. Сказанное может озна­чать, что реакционная вода, отводимая из ЭХГ сразу после ее образования, подвергается фильтрации, находясь в одном из мета - стабильных состояний, что на сегодня делает невозможным прогно­зирование значений ее проницаемости.

Правильный расчет площади поверхности водоотде­лителя особенно важен для аппаратов, работающих в условиях невесомости. Наиболее целесообразное реше­ние такой задачи — совмещение поверхностей для кон­денсации и разделения фаз. Рабочая площадь аппарата принимается из соображений либо конденсации, либо разделения фаз, т. е. большая из них.

В качестве примера на рис. 5.22 приведены образцы конденсаторов космического и земного назначений. В аппарате космического типа между холодильником и пористым разделителем находится полость, заполненная

конденсатом; в конденсаторе, работающем в условиях гравитации, конденсатор н разделитель разнесены.

Конструктивное оформление конденсаторов может быть весьма разнообразным и зависит от назначения, мощности, габаритов и схемного исполнения ЭХГ.

Рис. 5,22. Конденсаторы-разделители ЭХГ. а — космическою назначения; б — работающий в условиях гравг? тации.