Введение (стр. 6 )

связи с его пережогом.

Другая часть примесей выпадает в объеме котловой воды в виде мелкодисперсных взвешенных частиц, составляющих подвижный осадок, который называется шламом. Третья часть примесей при определенных условиях может оседать в оборудовании потребителя, что снижает его экономичность и мощность, а также может привести к авариям.

Поддержание определенного водного режима котла осуществляется с помощью специальных методов обработки исходной природной воды, а также путем ввода в пароводяной тракт реагентов, предупреждающих накипеобразование, коррозию и обеспечивающих необходимую чистоту получаемого пара.

Процесс освобождения воды от грубодисперсных и коллоидных примесей и содержащихся в ней солей и агрессивных газов называют водоподготовкой. Процессы водоподготовки включают осветление воды, фильтрование и коагуляцию, обработку воды методом осаждения и ион­ного обмена, умягчение (обессоливание) воды и ее обескремнивание. В большинстве случаев водоподготовка начинается с осветления воды в отстойниках или фильтрах для удаления из нее грубодисперс­ных примесей. В качестве фильтрующего материала используются дроб­леный антрацит, кварцевый песок и другие материалы.

Коагуляция предназначена для очистки воды от грубодисперсных и коллоидных примесей. В обрабатываемую воду вводят коагуляторы - сульфаты алюминия и железа Al2O3 и FeSO4, в результате гид­ролиза образуются хлопья Al(ОН)3 и Fe(OH)2, которые, адсорбируя на своей поверхности коллоидные вещества, выделяются в виде осад­ков. Далее производится осветление воды.

Осаждение используется для очистки воды от накипеобразующих солей кальция и магния. Добавляемые в воду реагенты-осадители (га­шеная или негашеная известь, едкий натр, углекислый натрий) всту­пают в химическое взаимодействие с солями кальция и магния и в ре­зультате образуют труднорастворимые соединения СаСО3, Мg(ОН)2, Са3(РО4)2, которые выпадают в осадок в виде шлама и удаляются из воды.

С обработкой воды известью совмещается процесс ее обескремнивания. В качестве обескремнивающих реагентов используют чаще всего каустический магнезит МgO. Кремнекислые соединения природных вод собираются гидрооксидом магния, выпадающим в осадок.

К методам осаждения относят также магнитный способ обработки воды. Он основан на явлении выпадания из воды солей кальция и маг­ния в виде шлама при прохождении ее через магнитное поле опреде­ленной напряженности и полярности.

Метод ионного обмена основан на применении практически не растворимых в воде веществ, называемых ионитами, которые обладают способностью адсорбировать из воды ионы загрязняющих ее примесей и отдавать в нее эквивалентное количество других ионов, введенных предварительно в состав ионита. При такой обработке воду пропуска­ют через фильтры, загруженные ионитами. В качестве ионитов приме­няют сульфоуголь и синтетические смолы.

Для котлов на высокие параметры пара требуется вода, из кото­рой удалены все растворенные соли. Наиболее широко применяемым способом водоподготовки для котлов таких параметров и типов явля­ется химическое или термическое обессоливание. При химическом обессоливании обрабатываемую воду последовательно пропускают сна­чала через катионитовый фильтр, в котором задерживаются катионы кальция, магния и натрия (Са2+,Мg2+ , Na2+), а затем через анионитовый фильтр, в котором задерживаются, анионы SO2-4, Cl и других растворенных солей. В результате получается вода, практически освобожденная от солей (обессоленная вода). Процесс терми­ческого обессоливания воды заключается в упаривании исходной воды и конденсации образующегося при этом пара. В результате соли оста­ются в воде, а полученный дистиллят является обессоленным. Терми­ческое обессоливание осуществляется в испарителях и паропреобразователях.

5. НОВЫЕ СПОСОБЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ

ЭНЕРГОРЕСУРСОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ И ТЕПЛОВУЮ ЭНЕРГИЮ

5.1. Развитие общества и необходимость новых способов

преобразования энергии

Мировое потребление энергии во всех ее видах находится в не­посредственной зависимости от численности населения. К 2000 г. на­селение Земли составит примерно 6 млрд. человек. По мере развития науки и техники повышается уровень цивилизации во всех странах. Человек в большей мере пользуется транспортом, который становится совершеннее и для которого требуется все больше энергии высокого качества. Наиболее распространенный вид транспорта в настоящее время - автомобили - подвергается критике из-за чрезмерного заг­рязнения атмосферы, приобретающего катастрофические размеры в крупных городах. В будущем автомобили, видимо, будут заменены электромобилями, потребляющими энергию более высокого качества и совершенно безвредными для окружающей среды. Тенденция к потребле­нию энергии более высокого качества характерна не только для авто­мобильного транспорта, но и для железнодорожного, водного, воздуш­ного. Развитие транспорта способствует расширению связей и сотруд­ничества между государствами, а следовательно, и широкому обмену в технических и культурных областях.

Условия комфорта быстро становятся необходимостью для челове­ка. Все большее распространение получают установки кондиционирова­ния воздуха, электробытовая и, радиоэлектронная техника. Существен­но возрастает доля электроэнергии, непосредственно используемой в различных технологических процессах.

Наряду с увеличением общего потребления энергоресурсов в мире (см. рис.B.1), растет также доля энергии, приходящаяся на одного жителя. Так. в РФ доля электроэнергии, приходящаяся на одного жи­теля, 1992 г. составляла 7300 кВт*ч, в 2000 г. она должна увели­читься до 10000 кВт*ч. Годовое потребление всех видов топливно-энергетических ресурсов на одного жителя должно за этот период воз­расти с 7 до 8 т у. т.

Огромные потребности в энергии ставят перед человечеством проблему разработки новых эффективных способов ее получения, осно­ванных на новейших достижениях в науке и технике. В наше время уже нельзя довольствоваться существующими традиционными способами преобразования различных видов энергии в электрическую из-за ограниченности запасов органического топлива, которое расточительно ис­пользуется при сжигании в топках. КПД самых современных ТЭС не превышает 40%. Это означает, что большая часть получаемого тепла теряется и оказывает влияние на "тепловое загрязнение" близрасположенных водоемов. Кроме того, при сжигании топлива плохо использу­ется вещество, вовлеченное в процесс преобразования энергии, КПД по веществу составляет у ТЭС ничтожно малую величину. Следователь­но, процесс сжигания топлива сопровождается огромными выбросами побочных продуктов, загрязняющих окружающую среду. Поэтому разра­ботка новых способов преобразования энергии, позволяющих уменьшить выбросы отходов в атмосферу, относится к важнейшим социальным проблемам.

Недостатки, присущие ТЭС, еще не означают, что эти станции не соответствуют духу времени и их строительство должно быть прекра­щено. В обозримом будущем ТЭС останутся одним из основных источни­ков энергии, поэтому совершенствование их конструкции, улучшение термодинамического цикла актуально для большой энергетики.

КПД использования топлива на АЭС значительно выше, чем на ТЭС. Однако использование на АЭС классического термодинамического цикла для преобразования тепла в механическую энергию, которая затем ге­нераторами преобразуется в электрическую, приводит к большим поте­рям энергии, получаемой в реакторах. Перед наукой стоит заманчивая перспектива - получить эффективные способы непосредственного пре­образования ядерной энергии в электрическую.

Широко используемые во многих странах мира ГЭС и в дальнейшем будут развиваться как весьма современные преобразователи энергии в возобновляемой форме. В связи с возрастающим загрязнением биосферы и ограниченностью запасов топлива повышается интерес к "чистым" электростанциям, использующим энергию морских приливов, тепло зем­ных недр, энергию солнечной радиации.

Таким образом, вместе с развитием цивилизации и технического прогресса будут совершенствоваться существующие и создаваться но­вые, более эффективные способы преобразования энергии. В первую очередь это способы непосредственного преобразования тепла, ядер­ной и химической энергии в электрическую. Установки прямого преоб­разования тепловой энергии в электрическую находят практическое применение в качестве автономных источников энергии, предназначен­ных для космических объектов, устройств навигации, самолетов, судов и т. д.

Известные способы прямого преобразования тепловой энергии в электрическую подразделяются: 1) на магнитогидродинамические, 2) термоэлектрические, 3) термоэмиссионные.

5.2. Магнитогидродинамическое преобразование энергии

Большое внимание в настоящее время уделяется созданию магнитогидродинамических генераторов (МГД-генераторов), непосредственно преобразующих тепловую энергию в электрическую. Возможности прак­тической реализации такого рода преобразования энергии в широких промышленных масштабах появляются в связи с успехами в атомной фи­зике, физике плазмы, металлургии и ряде других областей.

Рис.5.1. Схемы преобразования тепловой энергии

Непосредственное преобразование тепловой энергии в электри­ческую позволяет существенно повысить эффективность использования топливных ресурсов. В классическом паросиловом цикле преобразова­ния энергии (рис.5.1,а) тепло, получаемое при сжигании топлива, превращается во внутреннюю энергию пара, температура и давление которого при этом повышаются. Затем в паровых турбинах энергия па­ра превращается в механическую и только после этого в электричес­ких генераторах механическая энергия преобразуется в электричес­кую. Процессы этих многократных преобразований сопровождаются не­избежными потерями, снижающими эффективность всего цикла.

В магнитогидродинамическом цикле (рис. 5.1,б) цепочка преобра­зований энергии значительно короче. Но не только в этом состоит преимущество МГД-преобразования энергии. КПД идеального теплового цикла Карно зависит от максимальной и минимальной температур рабо­чего тела. В современных топках парогенераторов температура превы­шает 2000°С, а нагрев лопаток паровых турбин из-за ограниченной теплостойкости материала не должен превышать 750°С, что ограничи­вает КПД до 60%. В реальных условиях ввиду несовершенства пароси­лового цикла КПД не удается повысить более чем до 40%. В МГД-генераторах статические условия работы позволяют использовать материа­лы, на поверхности которых температура может достигать °С. Это открывает широкие перспективы повышения КПД преобразования энергии. В качестве проводящего вещества в МГД-генераторах исполь­зуются ионизированные газы. Чтобы обеспечить необходимую электроп­роводность газов, следует их температуру поддерживать на уровне не ниже 2000°С. Это обстоятельство не позволяет использовать МГД-преобразование во всем диапазоне температур от 3000 до 300 К. Поэтому МГД-генераторы целесообразно дополнять паротурбинными преобразова­телями, полезно использующими тепло газов, выходящих из каналов МГД-преобразователей. Сочетание МГД-генераторов с паротурбинными преобразователями энергии позволяет поднять КПД всей установки до 50-70%, что означает экономию десятков миллионов тонн топливных ресурсов в год.

Рис.5.2. Схема работы МГД-генератора

Принцип работы МГД-генератора основан на законе Фарадея, кото­рый утверждает, что в проводнике, движущемся в магнитном поле, ин­дуктируется ЭДС. ЭДС индуктируется в любом проводнике - твердом, жидком или газообразном. Область науки, изучающая взаимодействие между магнитным полем и токопроводящими жидкостями или газами, на­казывается магнитогидродинамикой. На рис.5.2 приведена схема, поясняющая принцип работы МГД-генератора. Между металлическими плас­тинами, расположенными в сильном магнитном поле, пропускается струя ионизированного газа ИГ, обладающего кинетической энергией направленного движения частиц. При этом в соответствии с законом электромагнитной индукции появляется ЭДС, вызывающая протекание электрического тока между электродами внутри канала генератора и во внешней цепи.

До недавнего времени были известны три состояния вещества: твердое, жидкое и газообразное. Газ считался электрически нейт­ральным, так как нейтральны атомы и состоящие из них молекулы. За­ряд электронов в атомах полностью уравновешивается зарядом ядра. При нагреве газа в результате интенсивного соударения атомов про­исходит выбивание внешних электронов. Если отделить все электроны от ядер, то вещество будет находиться в четвертом состоянии, назы­ваемом высокотемпературной плазмой. На Земле это состояние вещест­ва не встречается, так как для его получения требуется температура порядка миллионов градусов и давление в десятки тысяч мегапаскаль. Высокотемпературная плазма содержится в глубинах Солнца.

При 3000 °С некоторые газы превращаются в низкотемпературную плазму, состоящую из свободных атомов диссоциированных ионов и электронов. Низкотемпературная плазма обладает высокой электропро­водностью. Температуре 3000 °С соответствует небольшая ионизация, равная 0,1%, однако проводимость при этом уже достигает 50%. Сле­довательно, для практических целей нет необходимости стремиться к высокой ионизации.

Рис.5.3. Принципиальная схема МГД-генератора с паросиловой ус­тановкой:

1 - камера сгорания; 2 - МГД-генератор; 3 - обмотки электромагни­та; 4 - теплообменник; 5 – парогенератор; 6 - турбина; 7 - генера­тор; 8 - конденсатор; 9 - насос; ОГ - отработанные газы; ЩМ - щелочные металлы; ЭЭ – электроэнергия

Трудности использования ионизированных газов состоят в том, что при высокой температуре (например 3000 °С) не удается сохра­нить прочность камеры сгорания, каналов и сопла, по которым проис­ходит движение газового потока. Добавление некоторых легко ионизи­рующихся щелочных металлов, таких, как калий, натрий, во много раз увеличивает электропроводность газа. При этом можно ограничиться температурой °С. Однако в этом случае возникают проблемы, связанные с обеспечением необходимой коррозийной прочности матери­алов из-за повышения химической агрессивности среды, в которой должны работать эти конструкционные материалы.

Весьма перспективно использовать МГД-генератор совместно с па­росиловой установкой (рис.5.3). В камере сгорания 1 производится сжигание органического топлива, получаемые при этом продукты в плазменном состоянии с добавлением присадок направляются в расши­ряющийся канал МГД-генератора 2. Сильное магнитное поле создается мощными электромагнитами 3. Температура газа в канале генератора должна быть не ниже 2000 °С, а в камере сгорания °С. Тепло отработанных в МГД-генераторе газов используется в теплообменнике 4 для подогрева воздуха, подаваемого в камеру сгорания топлива, затем газы подаются в парогенератор 5 для получения пара. Выходя­щие из МГД-генератора газы имеют температуру примерно 2000 °С.

Сложности в создании МГД-генераторов состоят в получении мате­риалов необходимой прочности. В настоящее время ведутся также поиски газа с наилучшими свойствами. Гелий с небольшой добавкой це­зия при температуре 2000 °С имеет одинаковую проводимость с продук­тами сгорания минерального топлива при температуре 2500°С. Разра­ботан проект МГД-генератора, работающего по замкнутому циклу, в котором гелий непрерывно циркулирует в системе.

Для работы МГД-генератора необходимо создавать сильное магнит­ное поле, которое может быть получено пропусканием огромных токов по обмоткам. Во избежание сильного нагрева обмоток и потерь энергии в них сопротивление обмоток должно быть по возможности наи­меньшим. Поэтому в качестве таких проводников целесообразно ис­пользовать сверхпроводящие материалы.

Перспективны МГД-генераторы с ядерными реакторами, используе­мыми для нагревания газов и их термической ионизации (рис.5.4). Трудности создания МГД-генератора с ядерным реактором состоят в том, что современные ТВЭЛ, содержащие уран и покрытые окисью маг­ния, допускают температуру, не намного превышающую 600 °С. Можно надеяться, что по мере совершенствования реакторных систем их тем-

пературу можно будет увеличить до нужных величин (около 2000 °C).

Рис.5.4. МГД - генератор с ядерным реактором:

1 - ядерный реактор; 2 - сопло; 3 – МГД - генератор; 4 - место кон­денсации щелочных металлов; 5 – насос; 5 - место ввода щелочных металлов

Рис.5.5. МГД-генератор с камерным реактором:

1 - камера сгорания; 2 - замедлитель; 3 - сопло; 4 - электроды, отводящие ток

На рис.5.5 представлен МГД-генератор с камерным реактором, принцип работы которого состоит в следующем: смесь гелия и ради­оактивного урана под давлением в 12,2 МПа подается в камеру, где в результате цепной реакции происходит разогрев до температуры 5500 °С. При прохождении через сопло происходит расширение плазмы и уве­личение скорости ее движения. Предположительная мощность такого МГД - генератора 10000 МВт. Вес и размеры его такие же, как у паро­силовых установок мощностью 100 МВт.

Вопросам создания достаточно эффективных МГД - установок уделя­ется большое внимание во многих развитых странах мира. В бывшем СССР с 1972 г. функционирует МГД - установка мощностью 250 МВт (теп­ловой) на газе. Эксплуатируются несколько экспериментальных МГД - установок на угле, каждая мощностью 5-10 МВт. МГД - генераторы на твердом топливе особенно интенсивно изучаются в США. Ведутся экс­перименты на нескольких установках мощностьюМВт, на которых сжигается уголь.

При установке МГД - генератора в качестве надстройки обычной электростанции, если использовать существующую технологию, можно получить КПД 45-50%, при использовании перспективных технологий 55-60%. Приемлемый диапазон мощностей составляет 20-2000 МВт.

5.3. Термоэлектрические генераторы

Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) непосредственно преобра­зуют тепловую энергию в электрическую и находят широкое распрост­ранение в качестве источников электроэнергии на космических объек­тах, ракетах, подводных лодках, маяках и многих других установках небольшой мощности. Они изготовляются на мощности от нескольких ватт до нескольких киловатт.

Основные достоинства ТЭГ: 1) отсутствуют движущиеся части; 2) нет необходимости в высоких, давлениях; 3) могут использоваться лю­бые источники тепла; 4) имеется большой ресурс работы. Термоэлект­рические генераторы в зависимости от назначения могут преобразовы­вать в электрическую энергию тепло, получаемое в атомных реакто­рах, энергию солнечной радиации, энергию органического топлива. Почти все современные ТЭГ содержат полупроводниковые материалы в виде теллуридов или селенидов. Их открытие позволило создать ТЭГ с КПД до 10%. В перспективе можно ожидать дальнейшего увеличения КПД, Однако существующие конструкции ТЭГ не могут конкурировать с мощными электрическими станциями из-за дороговизны и низкого зна­чения КПД.

Принцип работы ТЭГ основан на том, что в замкнутой цепи, сос­тоящей из разнородных материалов, при разных температурах контак­тов этих материалов протекает электрический ток. Экспериментальные исследования показали, что величина ЭДС термопары зависит от ис­пользуемых материалов и температур горячего и холодного спаев:

где a - коэффициент термо - ЭДС, зависящий от материала; Тг и Tх - температуры горячего и холодного спаев.

Данное явление было описано Зеебеком в 1821 г. Его можно объ­яснить тем, что средняя энергия свободных электронов различна в разных проводниках и по-разному растет с увеличением температуры. Если вдоль проводника существует перепад температур, то возникает направленный поток электронов от горячего спая к холодному, вследствие чего у холодного спая образуется избыток отрицательных зарядов, у горячего - избыток положительных. Поток этот более ин­тенсивен в тех проводниках, у которых концентрация электронов больше. Поэтому даже в простейшем термоэлементе, замкнутая цепь которого состоит из двух проводников с разными концентрациями электронов и спаи поддерживаются при разных температурах, возника­ет электрический ток под действием ЭДС. Если цепь термоэлемента разомкнута, то накопление электронов на холодном конце увеличивает его отрицательный потенциал до тех пор, пока не установится дина­мическое равновесие между электронами, смещающимися к холодному концу, и электронами, уходящими от холодного конца под действием возникшей разности потенциалов. Чем меньше электропроводность ма­териала, тем меньше скорость обратного перетока электронов, следо­вательно, тем выше ЭДС. Поэтому полупроводниковые элементы более эффективны, чем элементы из металлов.

Носителями зарядов в полупроводниках могут быть электроны (полупроводники n - типа) и "положительные дырки" - ионы (полупро­водники р - типа). У собственно полупроводников имеются приблизи­тельно в равном количестве носители зарядов обоих типов. "Положи­тельные дырки" способны перемещаться, благодаря чему возникает пе­ренос положительных зарядов. Концентрацией и знаком электрических зарядов можно управлять, вводя в материалы полупроводников различ­ные примеси. В полупроводниках, так же как и в металлах, термо - ЭДС прямо пропорциональна разности температур горячего и холодного концов стержня. Отличие состоит в том, что термо - ЭДС у полупровод­ников в 40 с лишним раз больше, чем у металлов. Хорошая теплоизо­ляционная способность полупроводников позволяет создавать на их основе ТЭГ с большими перепадами температур, а следовательно, и с большими величинами термо - ЭДС.

Рис.5.6. Схема термоэлектрического элемента из полупроводников n - и р - типа:

1 - холодный спай; 2 - горячий спай

В ТЭГ одновременно используют полупроводники двух типов - n и р. На рис.5.6 показана термопара, образованная из полупроводников n - и р - типа. В обеих ветвях термопары носители зарядов перемещают­ся от горячего спая к холодному. Поскольку за положительное нап­равление электрического тока принимается направление движения по­ложительного заряда, то направления токов в ветвях схемы совпадают (показаны стрелками на рис.5.6). Чтобы получить значительные вели­чины ЭДС, полупроводниковый ТЭГ необходимо выполнить из множества последовательно соединенных термопар, каждая из которых состоит из полупроводников п - и р-типа (рис. 5.7).

Рис.5.7. Схема полупроводниковой термоэлектрической батареи:

1 - горячий конец; 2 - холодные концы

Свойства полупроводников зависят от температуры. Для каждого их вида существуют сравнительно узкие границы оптимальных темпера­тур. В то же время величина термо - ЭДС прямо пропорциональна раз­ности температур. Следовательно, для получения больших ее значений необходимо использовать высокие температуры. Созданы полупроводни­ки для работы при температуре 535°С. Однако для эффективной работы промышленного ТЭГ потребуется температуру горячего спая довести до величины примерно 1100°С.

Рис.5.8. Устройство ТЭГ:

а - на ядерном топливе; б - на делящихся полупроводниковых элемен­тах; 1 – охладитель; 2 - ядерное горючее; 3 – изоляторы

В настоящее время широко ведутся исследования по созданию по­лупроводников, работавших при высоких температурах. Для подогрева горячих спаев может быть использовано тепло, получаемое в реакто­рах при делении ядер тяжелых элементов. Однако в этом случае тре­буется решение ряда проблем, в частности выявление эффекта сильно­го радиационного воздействия на полупроводниковые материалы, так как ядерное горючее может находиться в непосредственном контакте с ними (рис.5.8,а). Термоэлектрическая батарея может быть создана из делящихся тепловыделяющих термоэлементов, обладающих свойствами полупроводников (рис.5.8,б), например, из таких, как сульфиды ура­на и тория. В типичном энергетическом ядерном реакторе находится 40-50 тыс. ТВЭЛ. Если в каждый встроить термобатарею, вырабатываю­щую ток с напряжением 1 В, то можно, последовательно соединяя эти батареи, получить напряжение, измеряемое многими тысячами вольт.

5.4. Радиоизотопные источники энергии

Естественный радиоактивный распад ядер сопровождается выделе­нием кинетической энергии частиц и g - квантов. Эта энергия погло­щается средой, окружающей радиоактивный изотоп, и превращается в тепло, которое можно использовать для получения электрической энергии термоэлектрическим способом. Установки, преобразующие энергию естественного радиоактивного распада в электрическую энер­гию с помощью термоэлементов, называются радиоизотопными термогенераторами. Радиоизотопные термогенераторы достаточно надежны в работе, обладают большим сроком службы, компактны и могут успешно использоваться в качестве автономных источников энергии для раз­личных установок космического и наземного базирования. Современные радиоизотопные генераторы имеют КПД 3-5% и срок службы от 3 меся­цев до 10 лет. Технико-экономические характеристики этих генерато­ров в будущем могут быть значительно улучшены. В настоящее время создаются проекты генераторов мощностью до 10 кВт. В перспективе радиоизотопные термогенераторы предполагается широко использовать в медицине для создания искусственного сердца, а также для стиму­лирования работы различных органов в живых организмах.

Специфическая особенность радиоизотопных генераторов состоит в необходимости предусматривать надежную радиационную защиту от непрерывных a -, b - и g - излучений, под которой понимается не только защита персонала, но и учет возможных аварийных ситуаций в различных условиях работы.

Уменьшение интенсивности излучения со временем нежелательно. Поэтому в качестве радиоизотопного топлива используют изотопы с периодом полураспада намного большим, чем продолжительность работы генератора (например, плутоний 239Р и стронций 90Sr). Тепло, выде­ляемое при распаде топлива, должно непрерывно отводиться, что обусловлено непрерывностью процесса распада. Радиоизотопные гене­раторы, применяемые на космических аппаратах, обычно работают по принципу использования энергии излучения для нагрева горячих спаев термопар, в которых происходит превращение тепловой энергии в электрическую.

5.5. Электрохимические методы преобразования энергии

В электрохимических генераторах (электрических батареях) про­исходит прямое преобразование химической энергии в электрическую.

Рис.5.9. Электрохимический элемент:

1 - анод; 2 – катод; 3 - пористая мембрана; 4 – электролит; 5 – нагрузка

В электрохимическом элементе (рис.5.9) на одном из электродов 1 (аноде) вещество, служащее топливом, отдает электроны, а на вто­ром электроде 2 (катоде) происходит восстановление (поглощение) электронов веществом - окислителем. Между электродами находится электролит 4, обеспечивающий перемещение ионов от одного электрода к другому; перенос электронов между электродами осуществляется по внешней цепи.

Электрической батареей называется комбинация включенных параллельно или последовательно двух или более электрохимических элементов. Батареи являются удобными накопителями энергии, которые в течение короткого периода времени могут поддерживать довольно большой ток при сравнительно стабильном напряжении. Они отличаются компактностью, просты в эксплуатации и практически не загрязняют окружающую среду. Тип батареи для конкретных условий работы выби­рается по следующим показателям: количеству запасаемой энергии на единицу массы, мощности на единицу массы, номинальному напряжению, дефицитности используемых материалов.

Рассмотрим принцип работы электрической батареи. Еще в XIX в. Фарадеем было показано, что при прохождении электрического заряда, равного F = 9.6485*104 Кл, через электрохимический элемент на аноде выделяется 1 грамм - молекула вещества (величина

F называется числом Фарадея). Это можно записать следующим образом:

(5.1)

где А - выделившееся количество вещества, г ; I - ток А; t - время работы, с; W - молекулярная масса вещества; n - валентность.

ЭДС, создаваемая парой электродов при разомкнутой внешней це­пи, равна алгебраической разности ЭДС материалов анода и катода, измеренной по отношению к водородному электроду:

(5.2)