Характеристики баллонных водородных реакторов
|
Объем, V∙103, м3 |
Диаметр, d,м |
Длина, l, м |
Масса, m, кг |
Рабочее давление, Р, МПа |
Высота уровня жидкости, h, м |
|
1,13 45 80 200 |
0,072 0,205 0,304 0,338 |
0,25 1,54 1,38 2,62 |
51 64 135 540 |
50 15 15 40 |
0,12 0,3 0,9 0,8 |
Таким образом, существует определенный предел величины химической энергии преобразуемой в кинетическую энергию циркулирующего потока, ниже которого не может соблюдаться пропорциональность между движущей силой процесса и скоростью выделения водорода.
В конечном счете, проблема устойчивости режимов генерирования водорода сводится к устойчивости движения частиц сплава в циркулирующем потоке. Строгая и завершенная постановка задачи об устойчивости движения и два метода ее решения впервые даны А. М. Ляпуновым. Понятие устойчивости сводится к следующему: "Система называется устойчивой, если после наложения какого-либо возмущения она возвращается в прежнее состояние при снятии этого возмущения". Работы Ляпунова стали основой исследования устойчивости технических систем, в том числе химических реакторов.
На данном этапе исследования формулы (3.3) - (3.8) позволяют определить размеры реактора в первом приближении.
Для расчета аппарата во втором приближении найдены зависимости по теплообмену. Результаты исследования теплообмена представлены в таблице 3.5 и на рисунке 3.5.
Для сплава ФС 75 теплообмен подчиняется зависимости
Nu = 1,5∙10–17 Re3,7 Pr0,33. (3.9)
Зависимость (5.9) рассчитана на полупериод реакции (αr = 0,5) и справедлива в интервале 7∙103 < Re < 2∙104, (t = 227 °C (500 К), P > 2,6 МПа).
Значительное влияние критерия Рейнольдса указывает на то, что с ростом температуры происходит интенсивное отслоение оксидного слоя.
В качестве определяющего размера в критериях принят средний диаметр частицы сплава в момент прохождения полупериода реакции. Число Рейнольдса рассчитывалось так же, как в случае взаимодействия сплава ФС 90 Ба4 с водным раствором NaOH – см. раздел 2.2.1.
Таблица 3.5
Опытные и расчетные данные по теплоотдаче от частиц сплавов к раствору едкого натра в газогенераторе авг-45
|
№№ опыта |
Тип сплава |
Температура среды в газогенераторе, tτ,°С |
Температура на реакционной поверхности, частиц tнас,°С |
Среднелогарифмическая разность температур, ∆tср,°С |
Давление в газогенераторе, Рτ, МПа |
Давление на реакционной поверхности, Рнас, МПа |
Время полуреакции, τ, с (αr = 0,5) |
Скорость выделения водорода, Wτ∙105, м3/(м2∙с) |
Усредненный диаметр частицы сплава, dτ∙103, м |
Диаметр подъемного потока, dп.п∙103, м |
Скорость жидкости, νпр, м/с |
Критерий Рейнольдса |
Критерий Прандтля |
Критерий Нуссельта |
Коэффициент теплоотдачи, α, Вт/(м2∙К) |
Примечание |
|
Re |
Pr |
Nu |
Соотношение загружаемых компонентов, кг (сплав:NaOH:Al:H2O) | |||||||||||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
|
1 |
ФС 75 Ба1 |
240 |
268 |
9,8 |
5,625 |
8,125 |
690 |
21,3 |
0,852 |
17,05 |
0,09 |
12276 |
0,62 |
0,0172 |
14,1 |
1,25:0,8:0,02:6,0 |
|
2 |
ФС 75 Ба4 |
145 |
167 |
8,3 |
1,88 |
2,61 |
480 |
5,98 |
0,833 |
18,8 |
0,03 |
27240 |
1,19 |
0,4085 |
335 | |
|
3 |
ФСА 15 |
164 |
189 |
8,6 |
3,75 |
7,13 |
1050 |
5,23 |
1,61 |
14,8 |
0,23 |
23122 |
1,09 |
0,2164 |
90,94 | |
|
4 |
ФСА 30 |
177 |
188 |
5,2 |
3,7 |
6,9 |
1200 |
3,46 |
1,21 |
13,6 |
0,25 |
19384 |
1,01 |
0,1099 |
61,56 | |
|
5 |
ФСА 30 Мн1 |
258 |
270 |
6,4 |
5,416 |
10,07 |
1120 |
17,27 |
0,92 |
15,7 |
0,26 |
36123 |
0,5 |
0,8721 |
611,11 |
На рисунке 3.5 приведены значения критерия Нуссельта для сплавов ферросилиция с добавками бария ФС 75 Ба1, ФС 75 Ба4 и ферросиликоалюминия ФСА 15, ФСА 30, ФСА 30 Мн1. Конкретные математические зависимости по интенсивности теплообмена могут быть рекомендованы по мере дальнейшего накопления статистических и опытных данных.
В данном случае в аппарате гетерогенные реакции подвергаются воздействию давления водорода, образуемого во время реакции. С этой целью в третьем приближении значения коэффициента L в уравнениях (3.6) - (3.8) необходимо уточнить по формуле (3.10), так как величина энергии Гиббса зависит от давления. Отрицательные значения ∆G° свидетельствуют о высокой вероятности реакций
∆G = ∆G0 + RTln(P2/P1), (3.10)
где ∆G0 – Энергия Гиббса в стандартном состоянии, кДж/кг;
R – газовая постоянная, Дж/(кг·К);
Т – температура, К;
P2, P1 – конечное и начальное давление в аппарате, атм.
Таблица 3.6