В настоящее время вопрос об энергосберегающих технологиях приобретает особую актуальность. Вчастности это касается малоэнергоемких технологических установок, применяемых вудаленных от электрических сетей местах или вчрезвычайных ситуациях. Проведенный литературный ипатентный обзор [1, 2] позволяет выделить вкачестве таковых водоактивируемые элементы, имеющие ряд преимуществ: безопасность визготовлении иутилизации электролита, низкая стоимость ипростота конструкции. Кроме того, как было нами установлено [3], имеется возможность увеличить энергоотдачу таких элементов спомощью воздействия постоянным магнитным полем.
Влияние магнитного поля на электропроводность электролита вгальванических элементах до сих пор полностью не выяснено. Существующие гипотезы базируются на поляризующем действии магнитного поля на ионы имолекулы электролита, врезультате чего изменяется структура раствора исоздаются условия для образования ионных полей, количество которых зависит от природы растворенных солей, их концентрации, времени нахождения раствора взоне воздействия магнитного поля идругих факторов.
В связи сэтим возникла необходимость проведения исследований, связанных свыявлением зависимости повышения энергетических показателей гальванических батарей, втом числе плотности тока, от магнитной индукции икоэффициента пористости электродов иполучение математической модели этих зависимостей.
Целью работы является моделирование зависимости плотности тока икоэффициента пористости электродов от магнитной индукции водоактивируемой гальванической батареи нового типа на основе использования методов корреляционно-регрессионного анализа.
Результаты исследования и их обсуждение
Воздействие постоянного магнитного поля вызывает изменение траектории движения положительных иотрицательных ионов вводных растворах электролитов, их скорости движения иповышает концентрацию ионных полей вокруг электродов [4]. Так как заряженные частицы движутся вобъеме электролита от одного электрода кдругому перпендикулярно вектору магнитной индукции поля постоянных магнитов, радиус кривизны траектории их движения под действием силы Лоренца вэлектролите можно определить известным выражением (1)
(1)
где rо – радиус кривизны траектории, м; q – заряд частицы, Кл; ? – скорость заряженных частиц, м/с; В – магнитная индукция магнитного поля, Тл; m – масса заряженной частицы, кг.
а) В=0;б) В<Вкр;в) В=Вкр
Рис.1. Траектория движения ионов врастворе при магнитном поле:1 – катод гальванического электрода; 2 – анод гальванического элемента срасположенным внутри постоянным магнитом; 3 – направление движения ионов врастворе:а – движение ионов вэлектролите без магнитной индукции; б – движение ионов смагнитной индукцией, которая ниже критической; в – движение ионов при критической магнитной индукции
Как показано на рис.1, движение ионов вобъеме электролита зависит от магнитной индукции постоянных магнитов, применяемых вгальваническом элементе, причем сувеличением магнитной индукции радиус движения ионов уменьшается, иони могут не достигать противоположного электрода, следовательно, величина тока гальванического элемента при использовании постоянных магнитов может быть значительно снижена ипривести котрицательному эффекту.
Результаты исследований, связанные сопределением влияния магнитной индукции постоянных магнитов на параметры водоактивируемого гальванического элемента, которые проводились спостоянными магнитами, имеющими различные значения магнитной индукции: В=116; 140; 200; 250мТл (при нагрузке 100Ом втечение 24часов), представлены на рис.2.
Как видно из графика рис.2, наиболее эффективным является гальванический элемент со значением магнитной индукции постоянного магнита В=200мТл. При этом, как было нами установлено экспериментально, сила тока гальванического элемента снижается незначительно втечение 14часов работы споследующей стабилизацией.
Расстояние между электродами гальванического элемента также влияет на его электропроводность идругие параметры. Известно, что сприближением анода икатода друг кдругу напряжение исила тока на клеммах гальванического элемента увеличиваются, но при этом возникает опасность замыкания электродов между собой. Ихотя всечении между электродами сопротивление электролита снижается по мере сближения электродов, однако при этом уменьшается диссоциация ионов и, соответственно, падает сила тока гальванического элемента. Кроме того, судалением электродов друг от друга снижается эффект действия постоянного магнитного поля на заряженные частицы вэлектролите между электродами.
Рис.2. Изменение силы тока гальванического элемента при различной магнитной индукции
Рис.3. Зависимость изменения напряжения гальванической ячейки от расстояния между электродами
В связи сэтим подбиралось наиболее эффективное сечение между электродами спомощью набора тонких пластинок из диэлектрического материала, создающих зазор между электродами. После активации гальванического элемента проводились замеры напряжения исилы тока (рис.3 и4).
Анализируя зависимости силы тока инапряжения, согласно рис.3 и4, можно сделать вывод, что наиболее рациональным сечением электролита между электродами данного гальванического элемента является сечение впромежутке 3–5мм.
Экспериментальные исследования по изменению напряжения гальванической ячейки от расстояния между электродами показали, что при удалении электродов друг от друга на расстояние более 5мм значение напряжения значительно падает. Сближение электродов менее чем на 3мм не вызывает увеличение напряжения, однако снижает циркуляцию электролита вмежэлектродном пространстве, что приводит кзначительному уменьшению его электропроводности.
Накопленный входе экспериментальных исследований статистический материал позволил создать математическую модель зависимости плотности тока гальванического элемента от индукции магнитного поля икоэффициента пористости поверхности электродов [5].
Рис.4. Зависимость изменения силы тока гальванической ячейкиот расстояния между электродами
Для получения математической модели зависимости плотности тока гальванического элемента сразвитой магнитно активной поверхностью электродов от магнитной индукции икоэффициента пористости электродов была проведена статистическая обработка экспериментальных данных на основе использования методов дисперсно-регрессионного анализа (таблица).
Значимость коэффициентов уравнения регрессии определялась по t-критерию Стьюдента. Фактическое значение t-критерия определялось спомощью программы Statistica 5.5.
Данные экспериментальных исследований
|
Коэффициент пористости Кп |
Магнитная индукция, мТл |
Плотность тока, мА/мм2 |
|
6,0–8,2 |
0,15–0,2 |
2,1–4,8 |
Полученное врезультате обработки данных на ПЭВМ нелинейное уравнение регрессии второго порядка име ет вид (2):
(2)
где j – плотность тока гальванического элемента, А/м2; Кр – коэффициент пористости активной поверхности; В – магнитная индукция постоянного магнита, Тл.
Адекватность уравнения проверялась по F-критерию Фишера (3):
F=12,46>4,28. (3)
Рис.5. Математическая модель зависимости плотности тока водоактивируемой гальванического элемента от магнитной индукции икоэффициента развития активной поверхности анода
Согласно полученной поверхности отклика, представленной на рис.5, плотность тока гальванического элемента возрастает при увеличении коэффициента пористости активной рабочей поверхности электродов иповышении значения магнитной индукции.
Выводы
1.Предлагаемый водоактивируемый гальванический элемент по сравнению сдругими техническими решениями имеет следующие преимущества: спиральный медно-проволочный анод имеет ребристую поверхность, что значительно увеличивает рабочую площадь электрода; использование активного слоя позволяет значительно увеличить площадь рабочей поверхности катода и, следовательно, повысить удельную энергоемкость. Применение постоянного магнита позволяет создавать не только пористую рабочую поверхность катода, но имагнитное поле вокруг электрода. Созданный гальванический элемент обладает повышенными удельными выходными параметрами, сроком эксплуатации ипозволяет проводить его использование сзаменой электродов иэлектролита из доступных инедорогих материалов.
2.Исследования, направленные на определение расстояния между электродами гальванического элемента, выявили, что оптимальным является расстояние от 3 до 5мм. Уменьшение этого промежутка снижает циркуляцию электролита между электродами иповышает опасность контакта между электродами, аувеличение этого промежутка значительно снижает значение силы тока инапряжения иувеличивает размеры гальванического элемента.
3.Увеличение площади активной поверхности электрода позволило повысить значения плотности тока. При этом значение напряжения изменяется незначительно ипрактически не зависит от размеров электродов. Наиболее эффективным является гальванический элемент со значением магнитной индукции постоянного магнита 200мТл.
4. Полученная посредством математического моделирования аналитическая зависимость плотности тока от магнитной индукции икоэффициента развития активной поверхности анода может быть использована для прогнозирования плотности тока гальванического элемента водоактивируемого гальванического элемента путем подстановки значений коэффициента пористости имагнитной индукции.
Рецензенты:
Янукян Э.Г., д.ф.-м.н., профессор, декан инженерного факультета, Северо-Кавказский федеральный университет, филиал, г. Пятигорск;
Казуб В.Т., д.т.н., профессор, зав. кафедрой физики иматематики, Пятигорская государственная фармацевтическая академия, г. Пятигорск.
Работа поступила вредакцию 08.09.2014.
Библиографическая ссылка
Мишин В.М., Колесников Г.Ю., Титовский Д.Л., Пивоварова М.Н. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ПЛОТНОСТИ ТОКА ОТ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ И КОЭФФИЦИЕНТА ПОРИСТОСТИ ЭЛЕКТРОДОВ ВОДОАКТИВИРУЕМОЙ ГАЛЬВАНИЧЕСКОЙ БАТАРЕИ // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 9-11. – С. 2392-2396;URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=35367 (дата обращения: 19.04.2024).