Приложение B (обязательное). Дополнительная информация по проведению и оценке испытаний

Приложение B
(обязательное)

Дополнительная информация по проведению и оценке испытаний

B.1 Оценка скорости утечки при испытании с газом, отличным от рабочего газа

B.1.1 Общие требования

Если производитель модуля топливных элементов проводит испытание на утечку газа не с рабочим газом, то скорость утечки рабочего газа должна оцениваться по скорости утечки контрольного газа.

Известно, что скорость утечки жидкостей и газов обратно пропорциональна квадратному корню из плотности [81]. То есть

,

(B.1)

где - плотность.

Поскольку находится в знаменателе, для плотных газов скорость утечки мала, а для легких газов скорость утечки высока. Отсюда следует, что скорость утечки легкого газа, например водорода, будет выше, чем более тяжелого газа, например воздуха, поскольку водород имеет гораздо меньшую плотность, чем воздух. При температуре 273,15 К и давлении 101,3 кПа плотность воздуха 1,293 кг/м ³, а плотность водорода 0,090 кг/м ³.

Точно так же объемная скорость утечки обратно пропорциональна абсолютной вязкости (см. ГОСТ ISO 10619-1). То есть

,

(B.2)

где - абсолютная вязкость.

Абсолютная вязкость также называется динамической вязкостью.

Это уравнение означает, что утечка вязких газов меньше, чем газов с низкой вязкостью. Например, вязкость воздуха выше, чем вязкость водорода, и по этой причине утечка водорода больше при тех же температуре и давлении.

Чтобы выяснить, какой способ лучше подходит для конкретной системы, следует провести эксперимент.

Если знать отношение R скорости утечки топливного газа к скорости утечки контрольного газа, можно оценивать скорость утечки рабочего газа, если измерить скорость утечки контрольного газа. То есть

.

(B.3)

B.1.2 Расчет R по уравнению (B.1)

Из уравнения (B.1) скорость утечки газов обратно пропорциональна квадратному корню из их плотности. Таким образом, подставляя уравнение (B.1) в уравнение (B.3), R является квадратным корнем из отношения обратных плотностей топливного и контрольного газов. Кроме того, поскольку удельный вес - это отношение плотности газа к плотности воздуха, R имеет следующий вид:

,

(B.4)

где УВТГ - удельный вес топливного газа;

УВКГ - удельный вес контрольного газа.

Это можно упростить до

.

(B.5)

Таким образом, если топливный газ легче контрольного газа, R будет больше единицы и наоборот.

B.1.3 Расчет R по уравнению (B.2)

Если взять уравнение (B.2) и вставить его в уравнение (B.3), то отношение скоростей утечки топливного и контрольного газа будет

.

Поэтому

,

(B.6)

где  _конт - абсолютная вязкость контрольного газа;

 _топл - абсолютная вязкость топливного газа.

Следовательно, если топливный газ менее вязкий, чем тестовый газ, R будет больше единицы и наоборот (формула (B.6) взята из [81]).

B.1.4 Примеры

Если используется формула (B.5), то есть

- если водород одновременно является контрольным газом и топливом, то R = 1;

- если в качестве контрольного газа используется воздух, то для топливных элементов, в которых топливом является водород, .

Это означает, что если при испытании с воздухом будет получена скорость утечки 28,3 л/ч (1 фут ³/ч), то по оценке скорость утечки с водородом составит 107,3 л/ч (3,79 фут ³/ч).

Аналогичный анализ может быть проведен, если рассчитать R по формуле (B.6). Если контрольным газом является воздух, а водород является топливом, тогда абсолютная (динамическая) вязкость воздуха при 293 К и атмосферном давлении [82] составляет:

.

Абсолютная (динамическая) вязкость воздуха при 293 К и атмосферном давлении [82] составляет:

.

Тогда R = 2,06.

Отсюда следует, что, поскольку вязкость водорода ниже, чем вязкость воздуха, он будет иметь тенденцию к утечке в 2,06 раза больше воздуха.

Динамическая вязкость газов в первую очередь зависит от температуры и практически не зависит от давления [83]. Различные значения динамической вязкости для некоторых газов можно найти в таблице B.1.

Для выяснения более подходящего для конкретной системы способа расчета можно не проводить эксперимент, но тогда при испытании нужно исходить из наихудшего значения.

Результаты этих расчетов предназначены для случая, когда температура и давление контрольного и рабочего газа одинаковы.

Рекомендуется использовать гелий в качестве контрольного газа для модулей топливных элементов, работающих на водороде.

В этом случае формула будет такая:

,

где УВГ - удельный вес гелия = 0,1382 ^*;

------------------------------

^*_{При атмосферном давлении и температуре 293 К.}

------------------------------

УВВ - удельный вес водорода = 0,0696 ^*;

------------------------------

^*_{При атмосферном давлении и температуре 293 К.}

------------------------------

или

,

(B.7)

где  _конт - абсолютная вязкость контрольного газа;

 _топл - абсолютная вязкость топливного газа.

B.1.5 Заключение

Следующая процедура может быть использована для оценки скорости утечки рабочего газа при проведении испытания на утечку газов с гелием в качестве контрольного газа. Оценка по этой процедуре будет для рабочего газа, находящегося при той же температуре и давлении, что и при испытании на утечку газа с гелием. Следует рассчитать коэффициент R между утечками рабочего газа и гелием, который следует умножить на скорость утечки, полученную при использовании гелия. Для расчета R следует использовать две формулы и выбрать наихудший сценарий (более высокое значение). Если рабочим газом является водород, то формулы будут такими:

,

где УВГ - удельный вес гелия = 0,1382 ^*;

------------------------------

^*_{При атмосферном давлении и температуре 293 К.}

------------------------------

УВВ - удельный вес водорода = 0,0696 ^*.

------------------------------

^*_{При атмосферном давлении и температуре 293 К.}

------------------------------

Для других рабочих газов УВВ следует заменить фактическим удельным весом рабочего газа при атмосферном давлении и температуре 293 К

или

,

где  _конт - абсолютная вязкость контрольного газа;

 _топл - абсолютная вязкость топливного газа.

Абсолютная вязкость, которая сильно зависит от температуры, но не от давления, указана в таблице B.1.

Таблица B.1 - Вязкость газов при давлении 1 атмосфера

Температура, °C	0	20	60	100	200	400	600	800	1000
Газ	, [Пас]10 6
Воздух *	17,08	18,75	20,01	22,00	25,45	33,72	38,65	43,93	48,26
Диоксид углерода *	13,90	14,80	16,76	18,67	22,87	30,13	35,89	41,92	46,78
Монооксид углерода *	16,57	17,70	19,90	22,01	25,08	32,04	38,15	43,81	48,93
Гелий *	18,60	19,41	21,18	22,81	26,72	34,12	40,68	46,65	-
Водород *, **	8,35	8,75	10,03	10,33	12,11	15,33	18,28	21,03	23,56
Метан *	10,26	10,87	12,69	13,31	16,04	20,69	-	-	-
Азот *, **	16,60	17,48	19,22	20,85	24,64	31,13	36,61	41,36	45,68
Кислород **	19,19	20,27	22,34	24,29	28,80	36,68	43,51	49,94	55,88
* Рассчитано из данных, приведенных в [84]. ** Рассчитано из данных, приведенных в [85].

B.2 Расчет "запаса прочности" для испытания на допустимое рабочее давление (см. 5.5)

B.2.1 Общие требования

Ниже приведено краткое изложение того, что было найдено в некоторых североамериканских стандартах на устройства/клапаны сброса давления. Эта информация использовалась, чтобы решить, какое число рекомендовать в качестве запаса прочности для испытания на допустимое рабочее давление.

B.2.2 Устройства сброса давления

B.2.2.1 Общие требования

Устройства сброса давления, например разрывные диски, должны срабатывать в диапазоне от 90 % до 100 % уставки, если они активируются давлением, и от 80 % до 105 %, если они активируются комбинацией давления и температуры. Эти устройства также проверяют на пропускную способность.

B.2.2.2 Выпускной клапан

Давление открытия должно быть от 90 % до 105 % уставки. Он должен пропускать 24,5 кг (54 фунта) воды/ч при давлении сброса, не превышающем давление открытия более чем на 10 %. В пределах требуемого температурного диапазона не должно быть отклонений более чем на 5 %. В течение 100 рабочих циклов не должно быть отклонений более чем на 5 %.

B.2.2.3 Предохранительный клапан

Давление начала открытия не должно превышать 110 % от номинального значения. Пропускная способность измеряется при 120 % от давления начала открытия. Давление закрытия должно быть не менее 65 % рабочего давления (после проверки пропускной способности). После испытаний в течение заданного промежутка времени давления начала открытия и закрытия не должны отклоняться более чем на 5 %.

B.2.2.4 Гидростатический предохранительный клапан

Начало сброса давления должно быть в пределах 5 %.

B.2.3 Заключение

Рекомендуется использовать коэффициент безопасности 132 % (отклонение 110 % допускаемое [86], умноженное на 120 % для полного открытия), поскольку это наихудший вариант, либо сделать его зависимым от типа устройства/клапана сброса давления. То есть 105 % для модулей, которые используют выпускные клапаны (полная разрядка происходит немедленно), согласно [87], и 132 % для модулей с предохранительными клапанами, согласно [86].

B.3 Предлагаемые приемочные испытания

B.3.1 Испытание на утечку газа

Это испытание не применимо для модулей топливных элементов с

- рабочей температурой выше, чем температура самовоспламенения горючего газа, или

- для топливных элементов внутри газонепроницаемого резервуара.

Испытание проводят следующим образом.

Используя план испытаний, согласованный между изготовителем и проводящей испытание организацией, модуль топливных элементов испытывают согласно 5.3. Утечка должна быть зафиксирована. Она не должна превышать более чем на 5 % значение, указанное в спецификации продукта.

B.3.2 Испытание в нормальном режиме работы

Используя план испытаний, согласованный между изготовителем и проводящей испытание организацией, модуль топливных элементов испытывают согласно 5.4.

B.3.3 Испытание на допустимое рабочее давление

Это испытание не применяется, если модуль топливных элементов находится в рассчитанном на работу под давлением резервуаре, который уже был проверен на соответствие государственным нормам.

Используя план испытаний, согласованный между изготовителем и проводящей испытание организацией, модуль топливных элементов испытывают согласно 5.5.

B.3.4 Испытание давлением системы охлаждения

Используя план испытаний, согласованный между изготовителем и проводящей испытание организацией, модуль топливных элементов испытывают согласно 5.6.

B.3.5 Испытание на избыточное давление

Используя план испытаний, согласованный между изготовителем и проводящей испытание организацией, модуль топливных элементов испытывают согласно 5.8.

B.3.6 Испытание на перепад давления

Используя план испытаний, согласованный между изготовителем и проводящей испытание организацией, модуль топливных элементов испытывают согласно 5.10.

B.3.7 Функции управления, связанные с безопасностью

Изготовитель должен удостовериться, что для всех изделий все функции управления, связанные с безопасностью, соответствуют заявленным.

Используя план испытаний, согласованный между изготовителем и проводящей испытание организацией, устройства безопасности модуля топливных элементов должны быть проверены на выполнение своего предназначения, на сколько это возможно.