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 4.1 и на рисунках 4.2 — 4.7.

Таблица 4.1.

Зависимость скорости выделения водорода от температуры при взаимодействии сплава ФС 90 Ба4 с 13,3%-ным раствором NaOH (кинетический реактор Vp = 1,13•10−3 м3).

Примечание:

• 1) — NaOH 10%-ной конц.;
• 2) — А-98КаМг с 10% NaOH;
• 3) — А-98КаМг с 13,3% NaOH.

Рисунок 4.2. 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 Wmax = 1,08•10−3 м3/(кг•с) или Wmax = 0,35 м3/(м2•с) — см. табл. 4.1.

Характер изменения температуры поверхности и центра реагирующего образца сплава ФС 90 Ба4 при исследовании реакции в открытом сосуде представлен на рисунке 4.3.

Установлено, что температура внешней поверхности гидроксидного слоя в местах газообразования™ выше температуры среды (td) на 2,3 — 3,1 °С.

Температура центра образца сплава (tц) превышает температуру среды на 3,1 — 5,3 °С [97] (рис. 4.4).

ФС 90 Ба4 в воде, нагретой до 90 °C, практически не реагирует. В растворе щелочи 13,3%-ной концентрации и температуре 95 °C 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 °C. Индукционный период при этом составляет 3 — 5 с. Скачкообразное повышение температуры на 15 — 17 °C вызывает стремительный рост скорости реакции. Время прохождения всплеска температуры cоставило 10 — 12 с — см. рис. 4.5. На начальном этапе температура резко возрастает, затем темп роста замедляется, тем самым сказывается влияние образующегося гидроксидного слоя.

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 (tп) оказались равными температуре кипящей жидкости при критическом давлении — см. формулу (В.21).

В опыте № 4 на конечной стадии реакции за 6 с температура поднялась со 130 °C до 137 °C — см. табл. 4.1. Ввиду кратковременности существования тонкого реагирующего слоя и инерционности системы реальная величина температуры составила 266 °C. Фактический скачок равен 134 °C. В пересчете на полупериод реакции (7,5 с) подъем температуры происходит от 100 °C до 194 °C, т. е. всплеск составляет 94 °C. Величина 194 °C является температурой насыщения при критическом давлении, зафиксированная в момент времени, соответствующий бr = 0,5.

При повышении начальной температуры реакции для сплава ФС 90 Ба4 от 90 до 130 °C скорость выделения водорода увеличивается в 5 раз — см. табл. 4.1 и рис. 4.5, 4.6.

Рис. 4.6. Зависимость температуры от времени реакции сплава ФС 90 Ба4 с 13,3%-ным раствором едкого натра (кинетический реактор), tнач = 90 °C.

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 °C — 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. 4.1, опыт № 7.

Рис. 4.7. Зависимость температуры от времени реакции сплава А-98 КаМг с 10%-ным раствором едкого натра (кинетический реактор), tнач = 90 °C.

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 Re1,8 Pr0,33. (4.1).

Значение приведенной скорости жидкости, найденное по разработанной методике, находится в пределах 1,77 — 2,26 м/с. Числа Рейнольдса изменяются от 110 000 до 160 000 (табл. 4.2). Поскольку коэффициент лобового сопротивления kлс в указанном интервале возрастает (рис. В.1) — 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 [98 — 101]. Расчеты выполнены на момент равный полупериоду реакции (бr = 0,5). Результаты представлены в таблице 4.2 и на рисунках 4.8 — 4.10.

Оказалось, что наименьшее отклонение дает формула Кунии [99], а наибольшее — формула Кацнельсона — Тимофеевой [98]. 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 [102].

Отклонение расчетных значений критерия Нуссельта от экспериментальных не превышает ± 15% [97].

С ростом скорости омывания возрастает парои газообразование, что сопровождается турбулизацией пограничного слоя.

Близкие условия тепломассообмена наблюдаются при испарении воды в собственные перегретые пары [103].

Таблица 4.2.

Опытные и расчетные данные по теплоотдаче одиночной неподвижной сферической частицы сплава ФС 90 Ба4.

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, ф, с (бr = 0,5).

Скорость выделения водорода, Wф•106, м3/с.

Радиус сферы эквивалентного объема, Rф•103, м.

Скорость выделения водорода, Wф•103, м3/(м2•с).

Диаметр подъемного потока, dп. п•103, м.

Скорость жидкости в потоке, нпр, м/с.

Число Рейнольдса.

Число Прандтля.

Число Нуссельта.

Значения чисел Нуссельта, рассчитанные по зависимостям в литературе:

Величины коэффициентов теплоотдачи, б, Вт/(м2•К), определенных согласно:

Re.

Pr.

Nu.

[103]. Nu1.

[104]. Nu2.

[105]. Nu3.

Опытным данным, б.

[103]. б1.

[104]. б2.

[105]. б3.

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. </… Основные результаты раздела опубликованы в работах [97, 109]. Выводы по разделу Таким образом, в условиях гетерогенной системы предельное значение скорости химической реакции определяется интенсивностью теплоотдачи при естественной циркуляции [110]. Процесс протекает в условиях сопряжения основной экзотермической реакции с параллельной эндотермической (вскипание воды) при небольших температурных напорах, т. е. в условиях близких к равновесию. В данном случае обеспечиваются низкие скорости течения 3-х фазного потока и, следовательно, затраты на трение ничтожны. В работе [4] показано, что КПД вскипающей системы не превышает 0,25%, т. е. всего четвертая часть процента передаваемого тепла переходит в механическую энергию движущегося потока. В исследованном нами процессе в энергию циркулирующего потока преобразуются сотые доли процента энергии химической реакции. Установлено влияние скоростей течения продольных и поперечных потоков на теплоотдачу при взаимодействии частиц сплава ферросилиция с водой. Структура поднимающегося потока изменяется по мере роста паросодержания от участка к участку. Расчет базируется на термодинамике равновесных процессов. Экспериментально определено, что перегрев жидкости по высоте аппарата является переменным. При учете трения находят предельно возможную скорость течения и тем самым более точно оценивают кинетическую энергию в общем балансе. Последнее обстоятельство дает возможность получить более достоверные коэффициенты теплоотдачи. Определение величин температурного напора и скорости омывания образца жидкостью позволяет по обычным критериальным зависимостям рассчитать интенсивность теплообмена. Зная удельный тепловой поток несложно подсчитать эквивалентный ему массовый поток водорода. Тем самым открывается возможность предварительного расчета предельно достижимой скорости газовыделения. Такой подход справедлив, если допустить, что химическая стадия процесса имеет минимальное сопротивление. Следовательно, сопротивление физической стадии обусловленное подводом воды и удалением продуктов реакции и тепла, определяет скорость реакции. Минимальное производство энтропии при найденном значении химического потенциала удовлетворяет условию послойного взаимодействия сплавов с водой [111]. Приведенные материалы свидетельствуют о выполнении поставленных задач диссертационной работы в области установления закономерностей тепломассообмена между частицами сплава ФС и водой в условиях послойного взаимодействия веществ. Определена температура реакционной поверхности.