Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут проблем машинобудування

ім. А. М. Підгорного

Пода Вадим Борисович

УДК 661.96: 66.021: 629.58

ТЕПЛОМАСООБМІН В ГЛИБОКОВОДНих генераторах

водню НА ОСНОВІ ГІДРОРЕАГУЮЧИХ РЕЧОВИН

05.14.06. - технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Харків - 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного Національної академії наук України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Соловей Віктор Васильович,

Інститут проблем машинобудування

ім. А.М. Підгорного НАН України,

зав. відділом

Офіційні опоненти: доктор технічних наук,

старший науковий співробітник

Трошенькін Борис Олександрович,

Інститут проблем машинобудування

ім. А.М. Підгорного НАН України,

провідний науковий співробітник

кандидат технічних наук

старший науковий співробітник

Петухов Ілля Іванович

Національний аерокосмічний університет

ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”,

доцент

Провідна установа: Національний технічний університет “ХПІ”

кафедра теплотехніки

Захист відбудеться “ 10 ” березня о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.180.02 в Інституті проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України за адресою: 61046 м. Харків, вул. Дм. Пожарського, 2/10.

З текстом дисертації можна ознайомитись у бібліотеці Інституту проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України за адресою: 61046 м. Харків, вул. Дм. Пожарського, 2/10.

Автореферат розісланий “ 3” лютого 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради, к.т.н. 0.Е. Ковальський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Помітне зменшення сировинних ресурсів на суші змушує людство все більше звертатися до ресурсів океанів. Вже в найближчий час технологічно розвинуті країни світу планують почати глибоководну промислову розробку метанових газових гідратів, металоносного мулу та залізомарганцевих конкрецій , що залягають на глибинах 40007000 м і займають понад 6070 % площі поверхні дна Океану Звідси має бути очевидним актуальність для України, яка має вихід до Світового океану, в розробці засобів глибоководної техніки.

Окрім того, проведення будь-яких підводних робіт має бути забезпечене засобами аварійного врятування екіпажів і техніки, які в Україні майже відсутні.

Найбільш важливішими системами підводної техніки, особливо засобів, що плавають, є системи енергопостачання і повернення на поверхню, основними вимогами до яких є мінімально можливі масогабаритні показники, максимально можливі питома підйомна сила і питоме корисне навантаження, висока надійність і енергоємність. Задача розробки підводної техніки і її систем для великих глибин ускладнюється тим, що вони повинні функціонувати під впливом надто високого тиску. Ці вимоги, як показує простий аналіз, майже безальтернативно, можуть бути забезпечені при використанні в цих системах водню як джерела єнергії і робочого тіла.

Майже всі існуючи системи зберігання і подачі водню (СЗПВ), окрім балонних, є масо-і теплообмінними апаратами. В зв'язку з цим, розробка методів їх розрахунку передбачає побудову математичних моделей, що ґрунтуються на теоретичних і експериментальних дослідженнях механізмів і закономірностей процесів масо-і теплопереносу та гідродинаміки. Але в таких масообмінних пристроях ці процеси відбуваються, переважно, в двох- і трьохфазних системах, що ускладнює їх вивчення, особливо, якщо йдеться мова не про поодинокі процеси генерації водню, а про процеси, що відбуваються в натурних генераторах водню СЗПВ.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота ґрунтується на результатах дослідів і розробок галузевої лабораторії теплових двигунів та відділу нетрадеційних енерготехнологій ІПМаш НАН України, що проводилися згідно: держбюджетної НДР “Розробка технології одержання гідрореагуючих швидкореагуючих сполук і принципових схем генераторів водню и видача рекомендацій щодо їх промислового використання”(б/т № 101) - державний реєстраційний № 01870093010 від 15. 03. 1987 р.; держбюджетної НДР “Наукові основи використання нетрадиційних технологій для підвищення ефективності видобутку енергоносіїв та виробництва енергії” (б/т № 27) - державний реєстраційний № 0102U007249 від 19. 12. 2002 р.; НДР "Статья-12 “Обгрунтування можливості створення газогенератору на основі реакції енергоакумулюючих речовин для надання сил плавучості підйомним пристроям” " (г/д № 12-79 від 23. 04. 1979 р.); НДДКР "Умение" “Розробка автономного пристрою для підйому затонулих вантажів” (г/д № 287-85 від 04. 04. 1986 р.), затвердженою Постановами РМ СРСР № 414-143 від 13. 05. 1985 р. і № 852-239 від 17. 07. 1986 р.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка методу розрахунку глибоководних генераторів водню (ГВ) на підставі теоретичних і експериментальних досліджень механізмів і закономірностей процесів тепломасопереносу, що відбуваються в них, і створення нового типу системи зберігання і подачі водню для засобів підводної техніки з мінімальними масогабаритними характеристиками, яка б могла використовуватись на всіх глибинах Світового океану.

Для досягнення поставленої мети вирішувалися такі задачі:

- аналітичний огляд існуючих і перспективних СЗПВ і досліджень з тепломасообміну в хімічних гетерогенних системах, вибір і обґрунтування принципової схеми системи;

- розробка методу розрахунку основних параметрів роботи генератора водню системи;

- вибір гідрореагуючих речовин (ГРР), щодо використання в глибоководних ГВ, і експериментальне дослідження тепломасообмінних характеристик їх реакції з водою;

- експериментальне дослідження процесів тепломасообміну, що супроводжують генерування водню в генераторах відкритого типу з ГРР у вигляді вертикальних циліндричних стовпців, з метою отримання емпіричних залежностей і доповнення ними аналітичної частини методу розрахунку;

- розробка і натурне дослідження експериментальних зразків СЗПВ.

Об'єкт дослідження процеси тепломасопереносу в гетерогенних хімічних системах “рідина - тверде тіло”, що супроводжуються газоутворенням.

Предмет дослідження СЗПВ з глибоководними генераторами водню відкритого типу на основі гідрореагуючих речовин і методи їх розрахунку з визначенням характеристик і параметрів роботи систем.

Методи дослідження методи математичного моделювання і теорії диференційних та інтегральних числень, методи теорії подібності і фізичного моделювання, методи теорії математичного оптимального планування експерименту і побудови емпіричних залежностей, експериментальні методи вимірювання процесів масопереносу і теплофізичних явищ.

Наукова новизна одержаних результатів. Наукова новизна роботи полягає в тому, що в ній вперше одержано такі наукові результати:

- розроблено метод розрахунку масо- і теплообмінних параметрів і характеристик СЗПВ з глибоководним генератором водню відкритого типу за схемою "колокол", що використовує гідрореагуючі речовини;

- одержано результати експериментальних досліджень тепломасообмінних характеристик реакції твердих речовин (швидкореагуючих ГРР на основі алюмінію) з водою, що супроводжуються газоутворенням, і моделей глибоководних генераторів водню з ГРР у вигляді стовпців, на основі чого установлено емпіричні залежності щодо повноти і поверхневої швидкості масовіддачі ГРР і зміни температури поверхні стовпця ГРР, газорідинної емульсії навколо стовпця і водню, що генерується, а також коефіцієнтів тепловіддачі від поверхні стовпців ГРР до газорідинної емульсії і водню;

- обґрунтовано використання для засобів глибоководної техніки систем зберігання і подачі водню з генераторами відкритого типу, що використовують ГРР.

Практичне значення одержаних результатів. Результати досліджень, що викладені в дисертаційній роботі, дозволили розробити і створити в ІПМаш НАН України дослідно-промислові зразки системи аварійного спливання підводного апарату "Север-2бис", а також автономного підйомного пристрою АПУ-01 для підйому затонулих об'єктів масою до 2,5 т з глибин до 1500 м, які успішно витримали Державні міжвідомчі випробування і були прийняті замовником до експлуатації. На підставі отриманих результатів автор розробив для Інституту НДПІокеанмаш м. Дніпропетровськ технічні пропозиції щодо системи зменшення ваги, штатного і аварійного спливання комбайнів, створених для збирання залізомарганцевих конкрецій.

Особистий внесок здобувача. Автор особисто вивів залежності зміни за глибиною питомої підйомної сили і граничної глибини використання генераторів водню різних схем, обґрунтував переваги схеми генератора з розвантаженим корпусом, виконаним за схемою “дзвін” [1]. Разом із співавторами [2] провів аналіз існуючих систем зберігання і подачі водню, особисто розрахував зміну за глибиною питомої їх маси, обґрунтував використання для засобів підводної техніки систем з гідрореагуючими речовинами. Провів експериментальні дослідження процесів тепломасообміну, що супроводжують реакції вертикальних стовпців з водою в умовах відкритого генератора водню, обробив і проаналізував результати досліджень [3]. Провів експериментальні дослідження процесів тепловіддачі, які виникають під час реакції вертикальних стовпців високоенергетичних гідрореагуючих речовин з водою в генераторах водню відкритого типу на режимах часткового їх затоплення, обробив і проаналізував їх результати, одержав емпіричні залежності [4]. Вивів залежності щодо основних параметрів роботи генераторів [5]. Запропонував спосіб заглиблення глибоководних нафтосховищ за допомогою гідрореагуючих речовин, розробив схему їх установки, розрахував економічність способу [6]. Запропонував систему підйому затонувших суден за допомогою гідрореагуючих речовин, розробив основну схему здійснення способу [7]. Разом із співавторами [8] приймав участь в розробці методики і проведені експериментів, обробці і аналізі їх результатів, особисто вивів залежності щодо газовмісту біля реагуючої поверхні гідрореагуючих речовин. Проводив дослідження щодо вибору гідрореагуючих речовин, вивів залежності для максимальної глибини використання генераторів водню різних схем, обґрунтував використання відкритої схеми генератора водню [9]. Роботу 10 виконано самостійно.

Апробація результатів дисертації. Основні матеріали і результати роботи доповідалися автором на Мінському міжнародному форумі з тепломасообміну, м. Мінськ, 1988 р.; Всесоюзній конференції "Хімреактор-10", м. Куйбишев - Тольяті, 1989 р.; VIII Міжнародному конгресі двигунобудівників, м. Харків 2003 р.; 4-ій Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми економії енергії”, м. Львів 2003 р.

Публікації. Результати досліджень з теми дисертації опубліковані в 5-ти статтях в науково-технічних збірниках і журналах, внесених до списку ВАК, 2-х авторських свідоцтвах на винаходи, 3-х тезах і матеріалах конференцій і семінарів.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, основної частини з 4-х розділів, висновків, додатку і списку із 110 використаних джерел. Робота містить 197 сторінок, у тому числі 151 сторінку основного тексту 46 рисунків, 4 таблиці, 15 сторінок додатку.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтовано актуальність обраної теми дисертації і перспективи використання водню в засобах підводної техніки, сформульовано мету і задачі дослідження, відображено наукове і практичне значення результатів роботи.

В першому розділі виконано аналіз існуючих систем зберігання і подачі водню, на підставі якого обґрунтовано вибір СЗПВ для засобів підводної техніки, приведено огляд і аналіз літературних джерел щодо масо-і теплообмінних процесів в системах з гідрореагуючими речовинами і методів розрахунків їх основних параметрів, розроблена загальна методика досліджень.

Ефективність використання СЗПВ, які придатні для застосування в автономних транспортних засобах, зокрема в підводних, визначається її масогабаритними показниками та кількістю енергії, що споживається для її функціонування. Розрахунки масогабаритних питомих характеристик СЗПВ і зміни за глибиною використання питомої їх маси, що включає масу сталевого корпусу генератора у вигляді кулі, доводять, що найменші масогабаритні і енерговитратні показники мають системи з гідрореагуючими речовинами при використанні в якості джерела водню забортної води.

Майже всі розроблені і запатентовані генератори водню мають герметичний міцний корпус, що приводить до значного збільшення маси системи при використанні на великих глибинах. Результати розрахунків їх питомої підйомної сили, яку створює одиниця об'єму генератора з корпусом у вигляді сталевої кулі, свідчать про те, що такі генератори з ГРР на основі активованого алюмінію будуть мати максимально можливу глибину використання 3410 м, якщо продукти реакції ГРР з водою не видаляються з об'єму генератора і 7130 м в разі, якщо останні видаляються. Генератори ж водню з негерметичним корпусом не мають обмежень щодо використання у межах існуючих глибин Світового океану, а їх питома підйомна сила на глибині 2000 м в 1,25 разів більша ніж підйомна сила генераторів з герметичним корпусом і видаленням продуктів реакції, або в 7 разів - на глибині 6000 м.

Розвантаження корпусу ГВ від зовнішнього гідростатичного тиску можливо, якщо його виконати за схемою "колокол" з відкритою в навколишнє середовище нижньою частиною.

Аналіз способу розміщення заряду ГРР в об'ємі такого розвантаженого ГВ, а також результати пробних дослідів з вивчення механізму реакції ГРР з водою дозволили зробити висновок, що найбільш доцільним, з точки зору повноти його використання і забезпечення можливості керування процесом генерації водню, є розміщення заряду ГРР у вигляді вертикальних циліндричних стовпців

Огляд і аналіз літератури з масо-і теплообмінних процесів, які супроводжують хімічні реакціі в системах “тверде тіло-рідина” з газоутворенням, а також методів розрахунку основних параметрів роботи апаратів, в яких здійснюються ці реакціі, показав, що на сьогоднішній день відсутній метод розрахунку генераторів водню з такими системами.

Майже всі існуючі роботи присвячені вивченню взаємодії малих зразків твердої речовини з рідиною, переважно з кислотами і лугами, в кінетичній зоні. Тепломасообмін великих зразків твердого реагенту, тим більше, сформованих в циліндричні стовпці з вертикальним розташуванням, які реагують з рідиною з газоутворенням в зоні зовнішньої дифузії, не вивчався. Відсутні також відомості про дослідження впливу на процеси тепломасообміну ступіня обмеження простору навколо реагуючого твердого тіла і тиску. Не існує методів розрахунку тепломасообмінних характеристик генераторів водню відкритого типу на основі ГРР з подачею води до нижнього торця заряду.

В розділі приведена блок-схема загальної методики досліджень.

В другому розділі розроблено аналітичну частину методу розрахунку СЗПВ з генераторами водню відкритого типу, який дозволяє визначити основні масообмінні параметри процесів і характеристики роботи системи. Метод розроблено з припущеннями щодо квазістаціонарної роботи генератора, а також, що такі параметри роботи системи як швидкості масообміну vs і vл, питоме газоутворення Vуд і температура Т водню, що генерується, не змінюються в часі і не залежать від інших факторів, тобто в аналітичній частині методу вони приймалися як постійні осереднені величини.

Вихідним рівнянням, яке пов'язує гідродинамічні, теплофізичні і масообмінні процеси, що протікають в системі під час її роботи є

(1)

де - коефіцієнт витрати; sг - площа прохідного перерізу витратного отвору, м2; Н - різниця рівнів води в порожнечах ГВ і об'єму, що продувається (ПО), м; в - густина води, кг/м3; K = тг/г - коефіцієнт стискування водню; R - питома газова постійна водню, Дж/кгК; Т - температура водню, що генерується, К; р - тиск на рівні поверхні води в генераторі, Па; vs - швидкість масовіддачі ГРР по газу з одиниці поверхні, м/с; Sзр - площа реагуючої поверхні заряду ГРР, м2; VгГВ - об'єм газу в порожнечі ГВ, м3; - час , с.

На підставі рівняння (1) одержано математичні залежності щодо параметрів роботи системи на торцевому режимі роботи генератора водню (), для режиму повного затоплення заряду () і режиму часткового затоплення заряду ГРР ().

Для узагальнюючого режиму часткового затоплення встановлено, що за законами зміни форми реагуючої поверхні заряду ГРР і витрати водню, цей режим поділяється на 3 стадії роботи: початкову, стаціонарної роботи і кінцеву.

На І-й початковій стадії, яка характеризується зміною форми реагуючої поверхні стовпців ГРР з циліндричної на конічну за принципом мінімуму енергетичної поверхні і з причини підвищення рівня затоплення стовпців, система рівнянь, що визначає роботу генератора, має вигляд:

· для варіанту Нз0 Нзр0 +Нзк1:

де ; Нз0 - початкова повна висота заряду ГРР, м; Нзк, Нзк1 - відповідно поточна і кінцева висота конічної частини стовпців на І-й стадії, м; Нзр0 - початкова висота зотоплення заряду ГРР водою, коли =0, м; з - густина ГРР, кг/м3; dз0, d0 - відповідно зовнішній початковий діаметр стовпця ГРР і діаметр центрального отвору стовпця, м; vл = vs/Vудз - швидкість масообміну за твердим реагентом, або лінійна швидкість його спрацьовування, м/с; N - кількість стовпців ГРР; mзр - маса ГРР, що прореагувала на момент , кг;

для варіанту Нз0 Нзр0 +Нзк1:

де Нзк, Нзц, dзк, dзц - висоти і діаметри конічної і циліндричної частин реагуючої поверхні стовпців, м; І - кут конусності конічної частини реагуючої поверхні, град; 1з, р1 - відповідно, час до моменту затоплення заряду і повний час для випадку, що розглянутий.

На ІІ-й стаціонарній стадії роботи, коли реакційна поверхня заряду ГРР має конічну поверхню в присутності циліндричної нереагуючої поверхні над рівнем води в генераторі, початковими умовами будуть кінцеві значення параметрів роботи генератора на І-й стадії, а граничними умовами - повне затоплення заряду. На цій стадії параметри роботи генератора і системи визначаються такими рівняннями:



де ; ;

; ; ;

; Нз, Нз2 - поточна і кінцева повна висота стовпців ГРР на II-й стадії, м; Sзт - площа торцевої поверхні стовпців, м2.

На ІІІ-й кінцевій стадії роботи, для якої є характерним режим повного затоплення, реагує залишкова частина стовпців заряду ГРР, які мають вигляд зрізаного перевернутого конусу. З припущенням, що кут конусності III стовпців під час роботи не змінюється, залежності, що визначають роботу системи на цій стадії, мають вигляд:



де 2, 3, р - відповідно час роботи системи на І-й і ІІ-й стадії, на ІІІ-й стадії і повний час роботи на режимі часткового затоплення, с.

У третьому розділі проведено аналіз і вибір гідрореагуючих речовин щодо їх використання в СЗПВ з генераторами відкритого типу; наведені плани, методики і результати експериментальних досліджень тепломасообмінних параметрів і характеристик обраних ГРР і моделей генераторів водню відкритого типу; зроблено аналіз результатів досліджень; одержано емпіричні залежності щодо основних показників процесів тепломасообміну; експериментально визначено ступінь адекватності розробленого методу розрахунку СЗПВ.

Принцип роботи генераторів водню відкритого типу і їх призначення накладають на ГРР, які в них використовуються, особливі вимоги, а саме: реагувати з прісною і морською водою в умовах гідростатичного тиску не менш 3060 МПа; не руйнуватися і не розсипатися під час реакції; мати досить велику швидкість реакції і генерувати водень з можливо більшою ентальпією; не мати дефіцитних компонентів у своєму складі і бути дешевими та технологічними при виробництві.

Аналіз літературних джерел і пробні досліди з вивчення кінетики реакціі з водою таких металів, як Li, Na, Al, Mg, їх сполучень і сплавів показали, що в найбільшій мірі відповідають цим вимогам ГРР на основі алюмінію з добавками до нього лужних металів або їх гідридів, які були розроблені ІПМаш НАН України і НІЗХІМ м. Харків.

Експериментальні дослідження тепломасообмінних процесів, що виникають під час взаємодіі ГРР з водою, в тому числі в генераторах водню відкритого типу, і визначення емпіричних залежностей основних показників цих процесів від тих чи інших факторів проводилися з використанням методів математичного планування багатофакторного експерименту.

Досконале експериментальне дослідження тепло- і масообмінних характеристик реакції з водою проводилося для зразків ГРР АГНК і АГН. Перші являли собою пресовану композитну сполуку із порошків алюмінію та гідриду натрію, а другі - хімічну сполуку алюмогідрида натрію NaAlH4. Дослідні зразки мали вигляд таблеток із зовнішнім діаметром 46 мм і масою 2040 г. Досліди проводилися як на лабораторних установках при нормальних умовах, так і на експериментальних установках під великим тиском. На рис. 1 приведена принципова схема однієї з таких установок для дослідження тепломасообмінних характеристик реакції зразків ГРР і моделей генераторів водню під тиском до 30 МПа.

Одержані значення масообмінних параметрів реакції зразків АГНК і АГН з водою і визначена зміна їх за часом реакції (рис. 2 і 3). Помітної залежності показників масообміну малих зразків ГРР від тиску в діапазоні 0,1 - 30 МПа і початкової температури води в діапазоні 273 - 343 К в межах помилок дослідів 7 % не було знайдено.

Обробка даних згідно рівнянню Єрофєєва дозволила визначити значення константи швидкості реакції k і показника п, що характеризує зону протікання реакції, а саме: АГНК-23 - k = 20,710-3, n = 2,32; АГНК-50п/э - k = 33,110-3, n = 1,89; АГН - k = 9,710-3, n = 1,68.

Значення показника п свідчать, що реакція зразків ГРР, які досліджувалися, проходить в зоні зовнішньої дифузії, що також підтверджується відсутністю залежності масообмінних показників реакції від температури води. Заміри температури у різних зонах реакції зразків ГРР з водою дозволили встановити також рівень температур Ts0 реакційної поверхні зразків і значення коефіцієнтів 0 їх тепловіддачі в об'єм води з температурою 1820С під атмосферним тиском, а саме:

АГНК-23 - Тso = 320 К, 0 = 167 кВт/м2К;

АГНК-50п/э - Тso = 328 К, 0 = 162 кВт/м2К;

АГН - Тso = 305 К, 0 = 149 кВт/м2К.

Основним робочим елементом генератора є вертикальний циліндричний стовпець ГРР, на поверхні якого проходять процеси хімічного кипіння, що супроводжуються вільною конвекцією газоподібних і твердих продуктів реакції під впливом сил тяжіння. Вивчення подібних процесів кипіння рідин на поверхні, що нагрівається, а також пробні досліди дозволили визначити основні фактори, які помітно впливають на параметри тепломасовіддачі при реакції вертикальних стовпців ГРР з рідиною. Такими факторами виявилися: висота стовпця Н; міра обмеженості простору навколо стовпця ks, що відзначалася як відношення площі поперечного перерізу заряду ГРР до площі поперечного перерізу генератора; гідростатичний тиск p; режим роботи генератора, що визначається величиною sг; час роботи .

Дослідження тепломасообміну стовпців ГРР і моделей ГВ під атмосферним тиском проводилися на стенді, який складався з відкритого в атмосферу металевого басейну і систем вимірювання витрати водню і температур в різних точках генератора. Басейн мав прозорі вікна для можливості візуалізації і кіно-фотореєстрації процесів. Дослідження впливу тиску на показники тепломасообміну проводилися на стендових установках високого тиску до 4,0 МПа і до 30 МПа (рис.1).

Моделі генераторів водню мали вигляд циліндрів з прозорого органічного скла і відкритою нижньою частиною, стінки якого були теплоізольовані гумою, а заряд ГРР з АГНК-50п/е являв собою стовпець висотою 0,5000,536 м, набраний з окремих циліндричних елементів діаметром 46 мм.

Результати досліджень свідчить про те, що зменшення зазору між поверхнею стовпця ГРР і стінкою генератору приводить до значного зростання повноти масовіддачі стовпця. Це можливо пояснити підвищенням лужності води, а також посиленням ефектів флотації частинок ГРР, а саме алюмінію, що не прореагували до кінця. Залежність повноти масовіддачі ГРР від коефіцієнту завантаження перетину генератора ним можна описати емпіричним поліномом третього ступеню

. (2)

Закономірне зростання з висотою стовпця і з підвищенням коефіцієнту завантаження перерізу газовмісту простору біля реагуючої поверхні стовпця (рис. 4) приводить до посилення екранування поверхні стовпця і, таким чином, до зниження швидкості масовіддачі, що і демонструє рис. 5.

Проведення дослідження залежності vs(Н, ks) за двофакторним ортогональним ЦКП і програмна обробка його результатів дозволили одержати регресійну залежність у такому вигляді

(3)

Вимірювання температур поверхні стовпця Тs ГРР, газорідинної емульсії Тст біля внутрішньої стінки моделей, а також температури водню в газовивідному патрубку моделей ГВ дозволили виявити закономірності протікання процесів теплообміну при хімічному кипінні вертикального стовпця ГРР як в необмеженому об'ємі рідини так і в умовах генераторів водню.

Окремі коефіцієнти тепловіддачі від поверхні стовпця ГРР до газорідинної емульсії ст і до водню визначалися згідно формули

де Qрн - теоретична питома кількість тепла хімічної реакції ГРР з рідиною, віднесена до одиниці об'єму газу (для зразків АГНК-50п/е Qрн = 9,81103 кДж/м3); Т - температура газорідинної емульсії Тст біля внутрішньої стінки моделей ГВ, або температура водню на виході з моделі ГВ.

Параметри теплообміну при експериментальному їх визначенні і аналізі їх зміни розглядалися як безрозмірні величини, масштабами яких були Тs0 і 0.

Програмна обробка результатів експериментів, які ставилися згідно розроблених ортогональних ЦКП, дозволили одержати систему регресивних моделей, що описує процеси теплообміну під час роботи стовпців ГРР в режимах повного їх затоплення:



(4)

Однопараметричні графічні залежності цих величин дозволили проаналізувати вплив тих чи інших факторів на показники теплообміну в режимах повного затоплення стовпця ГРР.

Візуальне вивчення режимів роботи моделей ГВ з частковим затопленням стовпців ГРР дозволило встановити, що чітка межа між поверхнею води і газу в моделях відсутня. Натомість водневі бульки і дрібнодисперсні тверді продукти реакції призводять до того, що барботажний шар газорідинної емульсії поступово переходить до шару рухомої піни. У зв'язку з цим в процесах газоутворення і тепловиділення беруть участь не тільки частини стовпця, які знаходяться в рідині, але й ті, що знаходяться в об'ємі піни і в газовому об'ємі над піною. Останнє пояснюється процесами бризко- і пароутворення.

Таким чином, характеристики рухомої піни, такі як висота, газовміст, розміри газових чарунок і т. ін., в значній мірі впливають на процеси теплобміну. Ці ж характеристики залежать перед усім від таких параметрів роботи моделей, як sг, ks, p, змінюються з висотою стовпця і в часі.

Згідно з результатами експериментів, проведених за ортогональними ЦКП, система регресивних рівнянь, що описує процеси тепловіддачі на режимах часткового затоплення стовпців ГРР, має вигляд:

(5)

де - повний час роботи ГВ на тому, чи іншому режимі, що задається величиною , с.

Аналіз впливу окремих факторів на показники теплообміну на режимах часткового затоплення проводився за однопараметричними графічними залежностями, що приведені на рис. 6 і 7.

Характер одержаних кривих параметрів тепломасообмінних процесів дозволяє зробити загальний висновок, що на ці процеси впливають ефекти екранування поверхні стовпців, перемішування рідини газовими бульками і характеристики газорідинного середовища поблизу реагуючої поверхні, які в свою чергу залежать від міри обмеженості простору навколо стовпця, режиму роботи генератора, тиску і змінюються вздовж висоти стовпця і в часі.

Результати досліджень також свідчать, що в межах їх умов однозначності в генераторах водню відкритого типу не досягається умов теплового вибуху, і що ці результати можна поширити на багатостовпцеві генератори.

Одержані емпіричні залежності (2 - 5) були введені до аналітичної частини методу розрахунку як додаткові і уточнюючі, розроблено алгоритм вирішення методу і програма його реалізації.

Виміри витрат водню на різних режимах роботи моделей і повного часу їх роботи дозволили визначити адекватність розробленого методу розрахунку на рівні відносної похибки 8 - 12 %.

Основні характеристики планів експериментів і показники адекватності моделей (2 - 5) наведені в додатках до роботи.

В четвертому розділі викладені результати натурних досліджень експериментальних зразків, розробок і випробувань дослідно-промислових зразків СЗПВ.

Розробка і натурне дослідження експериментальних зразків системи у вигляді пристроїв для створення позитивного плавання і її генераторів виконувалися з метою визначення достовірності поширення одержаних результатів досліджень на СЗПВ натурних розмірів з багатостовпцевими генераторами.

Дослідження проводилися на Чорному морі шляхом спускання зразків систем на робочу глибину з борта судна забезпечення за допомогою троса, а також з використанням підводних апаратів (ПА). Витрати водню реєструвалися або секундоміром, або шляхом покадрової обробки даних кінореєстрації наповнення воднем об'єму, що продувався. Реєстрація рівня температур різних зон генератора відбувалася або за допомогою тонких реперних дротиків чи пластин, або термопарами із шлейфовим осцилографом, розміщеним на борту ПА.

Результати натурних дослідів дозволили визначити, що значення основних параметрів роботи натурних багатостовпцевих зразків системи і її генераторів відрізняються від теоретично розрахованих згідно з розробленим методом на 13 - 17%.

Розроблений метод розрахунку масо-і теплообмінних показників і характеристик роботи системи і результати експериментальних досліджень були використані для проектування дослідно-промислових зразків, які розроблялися в межах ДКР і являли собою систему аварійного спливання ПА "Север-2" на базі генератора ГВ-САВ і автономний підйомний пристрій АПУ-01 для підйому з глибин до 1500 м об'єктів вагою до 2,5 т.

Результати досліджень дозволили розрахувати основні параметри роботи дослідно-промислових зразків і їх масогабаритні характеристики. Позначені зразки систем з успіхом витримали міжвідомчі державні випробування і були прийняті замовниками до дослідно-промислової експлуатації.

ВИСНОВКИ

1. Показана перспективність використання водню як робочого тіла і енергоносія для засобів підводної техніки, доказані незаперечні переваги застосування в підводній техніці систем зберігання і подачі водню, які використовують гідрореагуючі речовини і мають розвантажені від зовнішнього тиску корпуса генераторів. Ці СЗПВ мають найкращі масогабаритні показники, потребують мінімально можливу енергію для функціонування , практично не мають обмежень за глибиною використання.

2. Запропонована принципова схема СЗПВ з генератором водню відкритого типу, корпус якого виконаний за схемою "колокол". Обґрунтовано використання заряду ГРР в цих генераторах у вигляді вертикальних циліндричних стовпців.

3. Розроблено метод розрахунку запропонованої СЗПВ, який дозволяє визначити основні масо- і теплообмінні параметри і характеристики системи на різних режимах її роботи.

4. Сформульовано вимоги до ГРР, що можуть бути використані в генераторах водню відкритого типу; зроблено вибір найбільш перспективних ГРР на основі алюмінію, гідриду натрію і їх сполуки; експериментально досліджено масо-і теплообмінні характеристики реакції обраних ГРР з водою та установлено значення питомого газовиділення і швидкості масовіддачі, їх зміни за часом, а також температур поверхні зразків ГРР і коефіцієнтів тепловіддачі від поверхні зразків до води.

5. На моделях глибоководного генератора водню експериментально досліджено процеси тепломасовіддачі, що супроводжують реакцію вертикальних стовпців з швидкореагуючих ГРР з водою в умовах генератора. Дослідження дозволили виявити вплив на характеристики тепломасообміну міри обмеженості простору навколо стовпців, тиску, режиму роботи генератора і зміну цих характеристик за висотою стовпця і в часі. Одержано математичні регресивні моделі, що пов'язують основні показники процесів тепломасообміну з факторами, впливаючими на них, і які увійшли в загальний метод розрахунку системи.

6. Стендові дослідження моделей СЗПВ з одностовпцевими генераторами дозволили установити адекватність розробленого методу розрахунку на рівні відносної похибки 8 - 12 %.

7. Створені за допомогою розробленого методу розрахунку експериментальні і дослідно-промислові зразки СЗПВ для надання позитивної плавучості підводним засобам, проведені їх випробування в натурних умовах (в акваторії Чорного моря), підтверджена відповідність одержаних параметрів їх роботи розрахунковим.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Кривцова В.И., Кузьмин Д.В., Пода В.Б. Глубоководные генераторы водорода на гидрореагирующих веществах // Проблемы машиностроения. - 1998. - Т.1, № 3-4. - С.146-149.

2. Кривцова В.И., Пода В.Б., Соловей В.В. Перспективы использования водорода в подводных средствах // Проблемы машиностроения. - 1999. - Т.2, № 1-2. -С.87-92.

3. Кравченко О.В., Пода В.Б. Тепломассообмен при химическом кипении на поверхности вертикального цилиндрического столбца // Проблемы машиностроения. - 2002. - Т.5, № 1. - С.65-72.

4. Кравченко О.В., Пода В.Б. Исследование тепловых процессов в генераторах водорода на основе гидрореагирующих веществ // Авиационно-космическая техника и технология. - 2003. - Вып. 42/7. - С. 57-60.

5. Пода В.Б., Соловей В.В. Метод расчета генераторов водорода открытого типа, использующих гидрореагирующие вещества // Проблемы машиностроения. - 2004. - Т.7, № 3. - С. 76-81.

6 А.с. 1009924 СССР, МКИ3 В65D88/76. Способ установки глубоководного нефтехранилища / В.Е. Герасименко, А.И. Максименко, В.Б. Пода, Л.А. Савченко (СССР). - Опубл. 7.04.1983, Бюл. № 13. - 3с.

7. А.с. 1397371 СССР, МКИ3 В63С7/06. Система подъема затонувших судов / О.Ю. Калекин, В.Е. Герасименко, В.Б. Пода, В.А. Рябокобыла, Л.А. Савченко. - Опубл. 23.05.1988, Бюл. № 19.

8. Исследование процесса газообразования в генераторах водорода на основе гидрореагирующих веществ / О.Ю. Калекин, В.И. Кривцова, В.Б. Пода, О.В. Кравченко // Тепломассообмен - ММФ: Тез. докладов Минского международного форума. - Минск, 1988. -С.52-53.

9. Погружные генераторы водорода / О.Ю. Калекин, В.Е. Герасименко, В.Б. Пода, Д.В. Кузьмин, К.Г. Щербина, Г.Н. Кеворкян, С.А. Волкова // Тез. докладов Всесоюзной конференции “Химреактор-10”. - Куйбышев-Тольятти, 1989. - С.139-145.

10. Пода В.Б. Система хранения и подачи водорода на основе гидрореагирующих веществ // Проблеми економії енергії: Зб. матеріалів IV Міжнародної науково-практичної конференції, 8-12 жовтня 2003 р. - Львів: Національний університет “Львівська політехніка”. - 2003. - С.160-161.

АНОТАЦІЯ

глибоководний генератор енергоспоживання водень

Пода В.Б. Тепломасообмін в глибоководних генераторах водню на основі гідрореагуючих речовин. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 - технічна теплофізика та промислова теплоенергетика. - Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України, Харків, 2004.

Дисертація присвячена питанням розробки методу розрахунку глибоководних генераторів водню і створення системи зберігання і подачі водню для засобів підводної техніки, яка б мала мінімальні масогабаритні характеристики, найменше енергоспоживання і можливість використання на всіх глибинах Світового океану. У роботі обґрунтовано вибір системи з гідрореагуючими речовинами (ГРР), які мають розвантажений від зовнішнього тиску генератор водню за схемою "колокол" і заряд ГРР у вигляді вертикальних циліндричних стовпців. Розроблено експериментально-аналітичний метод розрахунку тепломасообмінних параметрів і характеристик системи. Експериментально досліджено процеси тепломасовіддачі вибраних ГРР на основі алюмінію і гідриду натрію і вертикальних стовпців ГРР під час їх роботи з водою і в умовах одностовпцевих моделей генераторів водню. Одержано математичні регресивні моделі, які увійшли до методу розрахунку системи. В натурних умовах досліджено повнорозмірні експериментальні зразки системи з багатостовпцевими генераторами. Визначена адекватність методу розрахунку фізичним моделям. Результати досліджень застосовані для розробок дослідно-промислових зразків системи.

Ключові слова: система зберігання і подачі водню, генератор водню, засоби підводної техніки, гідрореагуюча речовина (ГРР), заряд і стовпець ГРР, тепломасообмін, математична модель.

АННОТАЦИЯ

Пода В.Б. Тепломассообмен в глубоководных генераторах водорода на основе гидрореагирующих веществ. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 - техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. - Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного НАН Украины, Харьков, 2004.

Диссертация посвящена вопросам разработки метода расчета тепломассообменных характеристик глубоководных генераторов водорода и создания системы хранения и подачи водорода для средств подводной техники, которая бы имела минимальные массогабаритные характеристики, минимальное энергопотребление и возможность использования на всех глубинах Мирового океана.

Проведенный анализ и сравнительные расчеты массогабаритных характеристик существующих систем хранения и подачи водорода позволил выбрать для использования в средствах подводной техники системы, использующие гидрореагирующие вещества (ГРВ) и забортную воду, которые имеют наименьшие массогабаритные характеристики при минимальном энергопотреблении. Для возможности использования таких систем на всех глубинах Мирового океана корпус их генератора водорода должен быть разгружен от внешнего гидростатического давления посредством выполнения его по схеме "колокол" с открытым в окружающую среду нижним срезом. Выработаны основные требования к форме и способу размещения заряда ГРВ в таком генераторе, в результате чего выбрана и обоснована его форма в виде вертикальных цилиндрических столбцов.

Разработан экспериментально-аналитический метод расчета системы с глубоководным генератором водорода открытого типа на базе квазистационарной модели работы генератора. В аналитической части метода получены зависимости, определяющие площади сечения расходного отверстия для крайних режимов работы (полного затопления и торцевого), расходы водорода на разных режимах, изменение массы (расход ГРВ), изменение реакционной (активной) площади поверхности ГРВ и габаритов столбцов в процессе работы, время работы генератора. Полученные зависимости описывают работу системы для различных режимов работы генератора.

Анализ существующих ГРВ и пробные эксперименты с ними позволили выбрать в качестве наиболее перспективных, с точки зрения удовлетворения основных требований по использованию их в открытых генераторах, ГРВ на основе алюминия и гидрида натрия или их соединения. Проведены экспериментальные исследования процессов генерации водорода при реакции выбранных ГРВ с водой и получены значения основных массо- и теплообменных показателей этих процессов.

Экспериментально исследованы с использованием методов математического планирования процессы тепломассоотдачи при химическом кипении на поверхности вертикальных столбцов ГРВ, реагирующих с водой в области внешней диффузии. Исследования тепломассоотдачи столбцов ГРВ проводились как в условиях неограниченного объема воды, так и в условиях одностолбцовых моделей генераторов водорода открытого типа. Определено, что на показатели тепломассоотдачи вертикальных столбцов ГРВ влияют такие факторы как: высота столбца; степень ограниченности пространства около столбца, который характеризовался в работе коэффициентом загрузки сечения генератора зарядом ГРВ; гидростатическое давление; режим работы ГВ, определяемый площадью проходного сечения расходного отверстия; время работы. В результате исследований получены уравнения регрессий в виде полиномов второй и третьей степени, описывающие изменения в зависимости от вышеуказанных факторов таких основных показателей тепломассообмена как: коэффициент полноты массоотдачи и поверхностная скорость массоотдачи ГРВ, температура генерируемого водорода, поверхности столбцов ГРВ и газожидкостной эмульсии, коэффициенты теплоотдачи от поверхности столбца ГРВ в газожидкостную эмульсию и к генерируемому водороду.

Полученные эмпирические зависимости введены в аналитическую часть метода расчета, составлены алгоритм и программа его реализации.

Анализ влияния отдельных факторов на показатели тепломассообмена производился на основании полученных однопараметрических графических зависимостей. Характер кривых этих показателей позволяет сделать обобщающий вывод, что на процессы тепломассообмена решающее влияние оказывают эффекты экранирования поверхности столбцов газовыми пузырьками, перемешивание ими жидкости и характеристики газожидкостного слоя у поверхности столбца ГРВ, которые, в свою очередь, зависят от степени ограниченности пространства возле столбца, давления и режима работы генератора и изменяются с высотой в течение времени.

С использованием разработанного метода расчета были спроектированы и изготовлены полноразмерные экспериментальные образцы систем с многостолбцовыми генераторами и проведены их натурные исследования.

Адекватность разработанного метода подтверждена хорошей сходимостью расчетных параметров и результатов стендовых экспериментальных исследований одностолбцовых моделей генераторов и натурных исследований экспериментальных образцов систем.

Результаты исследований, проведенных в работе, использованы для разработок опытно-промышленных образцов систем создания положительной плавучести. Образцы прошли межведомственные государственные испытания, подтвердили соответствие параметров их работы расчетным значениям и приняты в опытно-промышленную эксплуатацию.

Ключевые слова: система хранения и подачи водорода, генератор водорода, средства подводной техники, гидрореагирующее вещество (ГРВ), тепломассообмен, столбец ГРВ.

ANNOTATION

Poda V.B. Heat-and-mass exchange into the deep-water hydrogen generators on the basis of hydroreacting matters. - The manuscript.

Thesis for submitting of the scientific degree of Candidate of Technical Science in speciality 05.14.06 Technical Thermal Physics and Industrial Heat Power Engineering. A.N. Podgorny Institute for Mechanical Engineering Problems of the National Academy of Sciences of Ukraine. - Kharkiv, 2004.

The thesis is dedicated to the problem of elaboration of the hydrogen storage and supply system for underwater engineering with minimum mass-and-dimensions characteristics and minimum power imputes and it heat-and-mass exchange characteristics' calculation method. The analysis and preliminary calculations of mass-and dimensions characteristics of the existing hydrogen storage and supply systems are carried out. This allowed to select the systems with hydroreacting matters (HRM) having the generator with the unloading from external pressure body which meet the basic demands. The way of HRM charge placing in the vertical cylindrical columns form was grounded. Such system of the calculation method, it algorithm and program were elaborated with the basic going out parameters of the system determination. The analysis of existing HRM and the test of this HRM were conducted. HRM on the basis of aluminum and sodium hydride and their compounds were selected. The heat-and-mass exchange characteristics of selected HRM with water were studied experimentally. The processes of heat-and-mass output vertical columns of quickly reacting HRM which react in the field of the external diffusion into the unlimited volume of water and in conditions of the generator models were investigated. The empirical mathematical dependencies for basic parameters of columns heat-and-mass exchange were obtained. The calculation method adequate was established with the help of experimental investigation of the system models at the test bench and natural conditions. The investigation results were used for the test models elaborations of the system.

Key words: the hydrogen storage and supply system, the hydrogen generator, the underwater engineering means, hydroreacting matter (HRM), heat-and-mass exchange, the HRM column, mathematical model.

Підписано до друку 21.12.2004

Умовн. друк. арк.. 1,0. Тираж110 екз. Заказ № 564.

Національний аерокосмічний університет ім.. М.Є.Жуковського

„Харківський авіаційний інституту”

61070, м. Харків, вул.. Чкалова, 17, www.khai.edu

Видавничий центр „ХАІ”

61070, м. Харків, вул.. Чкалова, 17, izdat@khai.edu

Размещено на Allbest.ru