Раздел 2

ТЕПЛОМАССООБМЕН ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ФЕРРОСИЛИЦИЯ И АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА С ВОДОЙ

2.1 Методика ведения экспериментов

Для описания явления во всей полноте приходится прибегать как к методам термодинамики, так и к смежным дисциплинам, трактующим процесс с точки кинетики. В данном разделе ставится задача выявить роль тепломассообмена в ходе химических и физических превращений сплавов в оксиды.

Опыты по изучению тепломассообмена проведены в стеклянном сосуде и металлическом реакторе (см. раздел 3.4). На данном этапе исследовалась интенсивность теплоотдачи от кубика сплава ферросилиция ФС 90 Ба4 и частиц сплава А-98КаМг к циркулирующему потоку.

В центре кубика со стороной (8 - 12)∙10^–3 м устанавливают термопару, отверстие для термопары (d_отв = 3∙10^–3 м) заливают эпоксидной смолой, предварительно изолировав спай термопары слоем хлопка (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Схема заделки спая термопары в образец:

1 - кубик сплава, 2 - эпоксидная

смола, 3 - слой хлопка, 4 - спай

термопары.

Контакт между термопарой и телом кубика

контролируют тестером. В качестве вторичного

прибора используют потенциометр КСП-4.

Одновременно с записью температуры среды

фиксируют температуру центра образца. Измерение

температуры поверхности образца выполняют термопа-

рой со щупом при проведении реакции в открытом сосуде.

Оценку инерционности системы проводят следующим образом: в открытый сосуд с кипящей водой погружают спай термопары и начинают отсчет времени. Прибор отображает повышение температуры до 93 °С за 5 с, через 60 - 90 с устанавливается температура 99 °С.

При погружении спая термопары в сосуд с маслом, нагретом до 180 °С, прибор через 5 с фиксирует 115 °С, через 55 с – 165 °С и через 180 с устанавливается температура 180 °С. Расчет стехиометрических (теоретических) температур дан в приложении А.

2.2 Результаты исследования тепломассообмена

Опытные данные по взаимодействию образцов сплава ФС 90 Ба4 и сплава на основе алюминия А-98КаМг с водным раствором едкого натра представлены в таблице 2.1 и на рисунках 2.2 - 2.7.

Таблица2.1

Зависимость скорости выделения водорода от температуры при взаимодействии сплава ФС 90 Ба4 с 13,3 %-ным раствором NaOH (кинетический реактор V_p = 1,13∙10^–3 м³)

№№ опыта	Начальная температура среды, tн,°С	Максимальная температура сплава, tmax, °С	Время достижения максимальной температуры, τ∙10-3, с	Максимальное давление, Рmax, МПа	Время достижения максимального давления, τ∙10-3, с	Общее время реакции τ∙10-3, с	Вес сплава, m∙103, кг	Максимальная скорость выделения водорода, Wmax∙103, м3/(кг∙с)
1 2 3 4 5 6 7	901) 1201) 90 130 120 902) 903)	100 128 103 137 130 105 109	0,54 0,16 0,51 0,2 0,18 0,05 0,047	0,44 0,68 0,48 0,84 0,8 0,92 0,93	2,94 0,72 3 2,1 2,4 0,05 0,047	2,94 0,9 3 2,2 2,6 0,06 0,05	5 5 5 5 5 5 5	0,18 0,68 0,22 1,08 1,04 8,9 9,1

Примечание:

¹⁾–NaOH10 %-ной конц.;

²⁾–А-98КаМг с10 %NaOH;

³⁾–А-98КаМг с13,3 %NaOH.

Рисунок 2.2. Зависимость скорости выделения водорода от времени

при различной температуре для реакции сплава ФС 90 Ба4 с водным

раствором едкого натра (кинетический реактор): 1-100 °С (10 % NaOH);

2-103 °С (13,3 %NaOH); 3-128 °С (10 %NaOH); 4-130 °С (13,3 %NaOH);

5-137 °С (13,3 %NaOH).

Давление в реакторе не превышает 0,93 МПа. Максимальная скорость выделения водорода при этом составила W_max = 1,08∙10^–3 м³/(кг∙с) или W_max = 0,35 м³/(м²∙с) – см. табл. 2.1.

Характер изменения температуры поверхности и центра реагирующего образца сплава ФС 90 Ба4 при исследовании реакции в открытом сосуде представлен на рисунке 2.3.

Установлено, что температура внешней поверхности гидроксидного слоя в местах газообразования (t_m) выше температуры среды (t_d) на 2,3 - 3,1 °С.

Температура центра образца сплава (t_ц) превышает температуру среды на 3,1 - 5,3 °С (рис. 2.4).

Приближение фронта реакции к спаю термопары,

находящегося в центре образца, вызывает скачкообразное

повышение температуры на 7 - 9 °С при кипении и газо-

образовании (стеклянный сосуд). Больший скачок наблюдается

при более высокой температуре. Время прохождения

всплеска температуры 40 - 50 с.

После прохождения скачка прибор показывает темпера-

туру среды, измеряемую дополнительно ртутным термометром,

что свидетельствует о завершении реакции в связи с полным

разрушением образца.

Рис. 2.4. Схема частицы сплава и изменения ее структуры при взаимо-действии с водой: 1 – газовые пузыри в жидкости, 2 – жидкость, 3 – слой образующегося гидроксида, 4 – газовые пузыри в слое гидроксида, 5 – направление циркулирующих потоков жидкости в слое гидроксида, 6 – реакционная поверхность частицы, 7 – непрореагировавшее ядро частицы.

Найденному значению температурного напора

(t_п – t_d) соответствует вполне определенная интенсив-

ность теплоотдачи. Для расчета теплообмена от реаги-

рующей частицы к омывающей ее жидкости необходимо

найти скорость естественной циркуляции потока.

Эксперименты показали, что кубик сплава

ФС 90 Ба4 в воде, нагретой до 90 °С, практически не реагирует. В растворе щелочи 13,3 %-ной концентрации и температуре 95 °С реакция интенсифицируется. В течении 19-20 минут сплав полностью прореагировал.

При падении кассеты со сплавом ФС 90 Ба4 (d = 1·10^–3 м) в раствор щелочи, температура среды в реакторе снижается на 8 - 10 °С. Индукционный период при этом составляет 3 - 5 с. Скачкообразное повышение температуры на 15 - 17 °С вызывает стремительный рост скорости реакции. Время прохождения всплеска температуры cоставило 10 - 12 с – см. рис. 2.5. На начальном этапе температура резко возрастает, затем темп роста замедляется, тем самым сказывается влияние образующегося гидроксидного слоя.

Рис. 2.5. Зависимость температуры от времени реакции сплава ФС 90 Ба4 с 13,3 %-ным раствором едкого натра (кинетический реактор),t_нач= 130 °С.

После завершения скачка прибор показывает постепенное снижение температуры, что свидетельствует о завершении реакции в связи с полным разрушением частиц сплава.

С учетом принятой инерционности системы, экспериментальные значения температуры реакционной поверхности (t_п) оказались равными температуре кипящей жидкости при критическом давлении.

В опыте №4 на конечной стадии реакции за 6 с температура поднялась со 130 °С до 137 °С – см. табл. 2.1. Ввиду кратковременности существования тонкого реагирующего слоя и инерционности системы реальная величина температуры составила 266 °С. Фактический скачок равен 134 °С. В пересчете на полупериод реакции (7,5 с) подъем температуры происходит от 100 °С до 194 °С, т.е. всплеск составляет 94 °С. Величина 194 °С является температурой насыщения при критическом давлении, зафиксированная в момент времени, соответствующий α_r = 0,5.

При повышении начальной температуры реакции для сплава ФС 90 Ба4от 90 до 130 °С скорость выделения водорода увеличивается в 5 раз – см. табл. 2.1 и рис. 2.5, 2.6.

Рис. 2.6. Зависимость температуры от времени реакции сплава ФС 90 Ба4 с

13,3 %-ным раствором едкого натра (кинетический реактор),t_нач= 90 °С.

Для сравнения были проведены исследования со сплавом на основе алюминия А-98КаМг. Методика ведения опыта не отличается от описанной выше.

При взаимодействии сплава А-98КаМг с водным раствором едкого натра за 7 с температура поднялась с 88 до 95 °С - рис. 4.7. Скорость реакции равна W = 8,9∙10^–3 м³/(кг∙с). Индукционный период составил 3 с. Повышение концентрации щелочи от 10 % до 13,3 % приводит к возрастанию скорости реакции – см. табл. 2.1, опыт № 7.

Рис. 2.7. Зависимость температуры от времени реакции сплава А-98 КаМг

с 10 %-ным раствором едкого натра (кинетический реактор),t_нач= 90 °С.

2.2.1 Оценка зависимостей по теплоотдаче

При омывании неподвижной реагирующей частицы обнаружено более существенное влияние критерия Рейнольдса для сплава ФС 90 Ба4

Nu = 0,9∙10^–7 Re^1,8 Pr^0,33. (2.1)

Значение приведенной скорости жидкости, найденное по разработанной методике, находится в пределах 1,77 - 2,26 м/с. Числа Рейнольдса изменяются от 110000 до 160000 (табл. 2.2). Поскольку коэффициент лобового сопротивления k_лс в указанном интервале возрастает – следует ожидать увеличения безразмерного коэффициента теплоотдачи с ростом чисел Рейнольдса.

Установление величин температурного напора и скорости омывания частиц жидкостью позволили рассчитать осредненное значение коэффициента теплоотдачи и удельную тепловую нагрузку.

Обработка экспериментальных данных проведена по известным зависимостям. Расчеты выполнены на момент равный полупериоду реакции (α_r = 0,5). Результаты представлены в таблице 2.2 и на рисунках 2.8 - 2.10.

Оказалось, что наименьшее отклонение дает формула Кунии, а наибольшее – формула Кацнельсона - Тимофеевой. В упомянутых работах степень влияния чисел Рейнольдса находится в пределах 0,5 - 0,58. Для активированного алюминия АГ5О5И5 (масс.%: Al - 85, Ga - 5, Sn - 5, In - 5) степень влияния числа Рейнольдса составила 1,6.

Отклонение расчетных значений критерия Нуссельта от экспериментальных не превышает ± 15%.

С ростом скорости омывания возрастает паро- и газообразование, что сопровождается турбулизацией пограничного слоя.

Близкие условия тепломассообмена наблюдаются при испарении воды в собственные перегретые пары.

Температура среды в реакторе, td,°С	Температура на реакционной поверхности, tнас,°С	Среднелогарифмическая разность температур, ∆tср,°С	Давление в реакторе, Ре, МПа	Давление на реакционной поверхности, Рнас, МПа	Время полуреакции, τ, с (αr = 0,5)	Скорость выделения водорода, Wτ∙106, м3/с	Радиус сферы эквивалентного объема, Rτ∙103, м	Скорость выделения водорода, Wτ∙103, м3/(м2∙с)	Диаметр подъемного потока, dп.п∙103, м	Скорость жидкости в потоке, νпр, м/с	Число Рейнольдса	Число Прандтля	Число Нуссельта	Значения чисел Нуссельта, рассчитанные по зависимостям в литературе:				Величины коэффициентов теплоотдачи, α, Вт/(м2∙К), определенных согласно:
											Re	Pr	Nu	Nu1	Nu2	Nu3	Опытным данным, α		α1	α2	α3
98 100 101 128 130 137	181 192 207 238 251 265	21,7 23,5 26,2 26,9 29 30,3	0,42 0,44 0,48 0,68 0,76 0,84	0,77 0,81 0,93 1,28 1,47 1,61	1440 1470 1500 390 450 630	1,9 2,1 7,2 2,4 9,2 9,7	5,64 5,61 5,45 5,49 5,37 5,26	0,18 0,2 0,3 13,4 13,8 17,1	16,95 16,74 18,21 16,14 16,43 16,66	2,2 2,1 1,77 2,26 2,18 2,12	123804 119166 110269 158869 158484 163363	1,78 1,74 1,76 1,55 1,31 1,23	159,8 148,1 129,3 239,2 225,4 233,1	257,3 250,6 242,1 278,4 263,1 261,6	276,4 269,1 259,4 300,5 284 282,6	403,1 391,3 375,6 444,5 422,1 420,3	6433,4 6042,5 4851,8 10166,7 9411,1 9588,4		10358,6 10224,6 9083 11832,8 10896 10760,7	11127,7 10976,1 9732,1 12772,2 11857,8 11624,6	16225,4 15965,2 14091,7 18893,9 17627,6 17289,6

Таблица 2.2