Температурное поле ТЭ определяет надежность его работы и КПД всей энергоустановки. Топливный эле­мент представляет собой сложную в теплофпзическом отношении систему с движущимися по многочисленным каналам агентами, имеющими различные температуры, и источниками и стоками тепла, зависящими от полей температур и скоростей движения агентов. Тепловыде­ления в ТЭ обусловливаются электрической нагрузкой ЭХГ, наличием диссипативных потерь энергии в резуль­тате протекания электрохимической реакции, а также

омических потерь на электродах, токосъемах и в элек­тролите. Эти потери являются функцией поля температур ТЭ, однородности свойств материала и конструктивных особенностей ТЭ. В камерах ТЭ происходят процессы диффузии, обусловленные образованием воды в электро­литных полостях, испарением в поток реагентов и погло­щением реагентов из парогазовой смеси.

Тепловой расчет ТЭ базируется на решении сложной нелинейной системы дифференциальных уравнений, опи­сывающих поля температур, потенциалов давлений, кон­центраций, т. е. решении ряда так называемых сопря­женных задач. В полном объеме решение указанных за­дач представляет серьезные трудности, и, как правило, не ставится задача получить исчерпывающую картину полей температур и связанных с ними полей концентра­ций, давлений и т. п., а либо определить температуры в некоторых характерных точках, либо найти некоторые интегральные параметры, характеризующие работу ЭХГ в целом.

Особенности задачи теплообмена в ТЭ непосредствен­но связаны с принятой в том или ином ЭХГ схемой тер - мостатирования, а также и с общей схемой и конструк­цией ЭХГ. Возможны различные пути вывода теплоты из зоны реакции: теплопроводностью по элементам кон­струкции (а в некоторых схемах — далее по ребрам в окружающую среду), вынужденной и естественной конвекцией жидкого электролита, вынужденной конвек­цией движущихся реагентов и, наконец, испаряющейся водой. В зависимости от схемы и конструкции ЭХГ и использованной схемы термостатирования обычно про­исходит либо полное исключение того или иного канала съема теплоты, либо настолько существенное уменьше­ние его влияния, что им можно пренебречь. В наиболее распространенной схеме термостатирования жидким проточным электролитом теплота удаляется в основном вынужденной конвекцией, эффектами естественной кон­векции и теплопроводности можно пренебречь. Наиболее просто система термостатирования построена в ЭХГ фирмы «Сименс» [4.1]; в них удаление как теплоты, так и воды осуществляется только проточным электро­литом, поэтому имеется только один канал съема тепло­ты, и задача построения системы термостатирования в этих разработках свелась в основном к осуществлению мероприятий, обеспечивающих равномерную раздачу 172

электролита между параллельно включенными ТЭ.

В ЭХГ для космического корабля «Аполлон» ис­пользуется система термостатирования с двумя канала­ми отвода теплоты — сбросом в окружающую среду че­рез поверхность корпуса и циркуляцией водорода. Очевидно, применительно именно к этому проекту реша­лись задачи Гидасповым и другими авторами [4.2]. Ба­тарея ТЭ в этих работах рассматривалась как сплошное тело (параллелепипед), имеющее внутри себя плоские каналы, на граничных поверхностях которого задана не­которая температура стенки (или среды) и которое по этим каналам в одном направлении омывается охлаж­дающей средой. Мощность тепловыделения, определяе­мая диссипацией энергии, считается равномерно распре­деленной по объему. Уравнение энергии для этой задачи решается аналитически в рядах; значения максимальных температур для разных условий конвективного теплооб­мена приведены в виде номограмм.

В системах термостатирования с проточным электро­литом большое значение имеет равномерность раздачи электролита не только между параллельно включенны­ми ТЭ, но и по поверхности электродов, так как наличие застойных зон может привести к значительному локаль­ному перегреву электродов. Решение этой задачи требу­ет исследования гидромеханики и теплообмена при дви­жении жидкости в канале, затесненном сеткой (сепара­тором), в стенках которого распределены равномерно источники тепловыделения.

В '[4.3] дается метод решения этой задачи при малых значе­ниях числа Рейнольдса, когда для анализа движения жидкости мо­жет быть использован закон Дарси. В работе показано, что при плотности источников теплоты, зависящих только от температуры, а также при пренебрежении молекулярными процессами переноса теплоты и тепловым излучением изотермы совпадают с линиями рав­ных времен — геометрическим местом точек т(п0, n)=const, дости­гаемых частицами жидкости за одинаковые промежутки времени. Таким образом, для расчета температурного поля камеры ТЭ не нужно знать поля скоростей, а требуется определить только инте­гральные характеристики — линии равных времен.

Рассматриваемая задача может быть решена аналитическим путем в случае точечного ввода и вывода жидкости, т. е. когда входное и выходное отверстия канала имеют небольшие диаметры. Аналитическое решение задачи определения поля температур пло­ского канала неприменимо в случае протяженного ввода и вывода жидкости. Поэтому для тепловых расчетов камер ТЭ целесообразно использование метода физического моделирования, который позво­ляет получать линии равных времен на специально изготовленной установке.

Если в определенный момент времени жидкость, подаваемая на вход в прозрачную модель камеры ТЭ, изменила свой цвет, фронты движения этой жидкости с измененным цветом будут являться ли­ниями равных времен и, следовательно, изотермами, значения кото­рых могут быть рассчитаны. Легко показать, что если при проведе-

нии эксперимента через модель камеры прокачивалась жидкость с расходом пи, а через реальный ТЭ — жидкость, имеющая плот­ность р' и удельную теплоемкость с'р, с расходом m't, температур­ное поле камеры определялось уравнением

2пс пц

p’c'pih m't'

где То, Тп — температуры на входе и в точках, достигнутых фрон­том окрашенной жидкости за время тп; Л— толщина камеры; є — пористость сепаратора.

Для регистрации прохождения фронта окрашенной жидкости по моделям камер ТЭ был разработан и создан специальный стенд (рис. 4.1). Стенд состоял из модели камеры ТЭ, системы, обеспечи­вающей постоянный расход воды через модель, устройства для вво­да окрашенной жидкости, осветителя и киноаппарата. Модель ка­меры представляла собой трафарет, зажатый между двух плит, выполненных из органического стекла. Трафарет изготовлялся из листа плотного картона и имел в центре вырез, конфигурация ко­торого соответствовала конфигурации камеры. Постоянный расход воды через модель осуществлялся системой баков, уровень воды в верхнем баке не изменялся в течение всего эксперимента. Изме­рение расхода воды проводилось путем измерения ее объема на выходе из модели за определенный период времени.

Фронт окрашенной жидкости получался путем введения не­большого количества туши в канал, находящийся непосредственно на входе в исследуемую модель. Тушь подавалась из коллектора через ряд каналов, выполненных в верхней плите, и проходила че­рез сетку, на которой происходило перемешивание ее с рабочей жидкостью. Съемка движения фронта окрашенной жидкости про­изводилась киноаппаратом, в плоскости модели камеры устанавли­вался секундомер, показания которого фиксировались на киноплен­ке. Для получения гидравлической характеристики камеры в трафа­рете делались специальные прорези, соединяющие камеру с отбора­ми давления.

Описанная установка позволяет производить киносъемку дви­жения фронта окрашенной жидкости по моделям камеры ТЭ с фик­сацией времени съемки каждого кадра. При этом поддерживается постоянным и измеряется расход воды через модель. С обработан­ной кинопленки при помощи проектора на контур камеры, изобра­женный на листе бумаги, наносятся последовательно фотографии движения фронта жидкости. Как было показано выше, полученные таким образом фронты являются одновременно изотермами. Зада­ваясь свойствами агента, проходящего через камеру элемента, теп­ловыделениями и геометрическими характеристиками, камеры, а так­же используя значения интервалов времени между моментами фик­сации различных фронтов, по уравнению (4.1) определяют числен­ные значения этих изотерм.

Методом физического моделирования были исследованы топлив­ные элементы с проточным электролитом и найдены оптимальные конфигурации их камер. На рис. 4.2 показаны восемь фотографий, снятых в различные моменты движения фронта окрашенной жидко­сти по модели электролитной камеры топливного элемента. На этом же рисунке представлены фронты движения, совмещенные на одном чертеже. В табл. 4.1 приведены значения тп для каждого кинокадра и

ч

*

рассчитанные значения Тп при следующих параметрах: р' =

= 1300 кг/м3; с'р=3000 Дж/(кг-К); Л=1 мм; е=0,8; т* = 1,73 г/с; т', =0,5 г/с; ус= 193 Вт/м2; 7,о=70°С. На рис. 4.3 представлены изотермы электролитной камеры ТЭ.