潛艇電化學發電機裝置硼氫化鈉水解制氫系統兩相流動特性研究

李大鵬 , 王臻

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潛艇電化學發電機裝置硼氫化鈉水解制氫系統兩相流動特性研究

李大鵬1, 王臻2

（1. 海軍工程大學動力工程學院，武漢 430033; 2. 海軍大連艦艇學院外訓系，遼寧大連 112700）

潛艇電化學發電機裝置硼氫化鈉水解制氫系統涉及到復雜的物理化學現象，對制氫過程的氣泡形成、生長、浮升、融合、脫離等兩相流動現象進行了研究。研究結果可作為潛艇電化學發電機裝置硼氫化鈉水解制氫系統的產氫過程穩定性、制氫器設計和運行優化、產氫過程的噪聲控制等研究的基礎。

潛艇 電化學發電機 硼氫化鈉 水解 制氫 兩相流動

0 前言

硼氫化鈉（NaBH4）水解產生氫氣，AIP潛艇電化學發電機裝置可使用NaBH4水解制氫[1-5]。NaBH4水解制氫過程中，要涉及到氣泡的形成、生長、浮升、融合、脫離等兩相流動現象，對其研究可基于已有的兩相流動模型進行，并在此基礎上，對產氫穩定性、制氫器設計和運行優化、噪聲控制等方面進一步開展研究。

1 水解產氫條件

NaBH4在固體催化劑作用下水解時，H2優先在催化劑顆粒表面釋放出來，形成的氣相空間減小了進入反應區的反應物質量，并持續到在氣液兩相空間建立起動態平衡。

固體催化劑顆粒表面上，H2氣泡生長。H2氣泡尺寸取決于氣泡脫離力與將氣泡粘附在固體顆粒表面上的附著力的相對大小。脫離力包括浮升力和溶液流動時的水動力學力，附著力為表面能力。

NaBH4溶液流動過程中，氣相形成機理和過程如下：在初始溶液所占據空間內，由于密度波動，液相空間會形成以微小氣泡形式存在的氣相；溶液溫度升高會加速氣泡中氣體的擴散，并增大出現大尺度氣泡脈動的幾率；當氣泡足夠大，氣泡形成會穩定下來并成為氣化核心，氣泡尺寸持續增大。

微小氣泡的存在是不穩定的，這是因為當氣相空間達到一定規模，溶液的體積變化不能彌補相間接觸面上具有不利影響的能量效應。如果認為氣泡近似為球形，在小尺寸氣泡情況下，氣泡的總表面積與溶液體積之比相當大，氣泡的最小尺寸決定了脈動情況下的液相穩定性。這種大量小尺寸氣泡聚集存在的現象稱為核態氣化。核態氣化屬于液相不穩定平衡狀態。對于較小尺寸氣泡聚集，液相是穩定的；對于較大尺寸氣泡聚集，氣相是穩定的。水解反應時存在著確定的最小脈動尺度，進而向氣相過渡，開始氣相的形成和增長。大尺度異相脈動由液相空間內的核態氣化維持。

吉布斯建立了異相系統的相平衡條件[6]。存在表面張力作用的平衡條件為

2 氫氣泡增長

溶液中氣泡長大是質量交換的結果，即H2進入氣泡中。流動溶液中傳質有兩個原因：1）組分濃度差；2）水力流動。這種傳質稱為溶液中物質的對流擴散，由液相中反應物濃度方程描述[6]:

連續性方程

對流擴散方程

H2氣泡半徑由氣泡中氣體質量決定。根據菲克定律，由氣泡表面的濃度梯度計算[8]：

上述方程組只能數值求解。假設擴散過程為穩態，且沿球狀氣泡表面方向上的濃度導數與沿半徑方向上相比很小，對流擴散方程簡化成

NaBH4堿性溶液中含有4～6%濃度的NaOH。NaOH是很強的表面活化劑。H2氣泡表面上存在表面活化劑可以改變擾流條件，增大流動阻力系數，同時減小傳質強度。使用溶液與表面活化劑接觸速度為零的粘附壁面流動條件，氣泡質量流量可表示為使用固體球狀顆粒直徑表達的形式：

3 氫氣泡浮升速度

考慮溶液中單個H2氣泡浮升時，假設傳質對溶液水動力學特性無影響。對于穩定流動，將動量守恒、連續性方程和對流擴散方程寫成無因次流函數形式

其中：

在r=1處 （18）

由于表面活化劑的存在，根據上述方法計算得到的氣泡浮升速度、阻力系數與實驗數據間會存在不一致。加入表面活化劑的液體中氣泡浮升速度和阻力系數可根據固體繞流公式計算[11]。

不規則形狀氣泡螺旋運動過程中氣泡形狀變化，運動速度由下式計算[13]

考慮到氣泡表面積變化、相變等現象后，描述液體中單個氣泡運動過程的微風方程組[14]。

4 制氫器反應區內的兩相流動

制氫器反應區內的兩相混合物從結構上可分類為氣體乳狀液，其特征為含有氣體、氣泡尺寸分布離散上。氣體成分包括水解過程中產生的H2、水蒸氣、乙硼烷（B2H6）等其他氣體，但B2H6等氣體在H2中含量不超過0.05%，可忽略對氣泡水動力學特性的影響。氣體乳狀液中相分布結構和特征對相間作用過程的流動特性有影響。兩相流結構特征影響一些特性，如水動力學壓力損失、相間力學作用造成能量損失等。此外，兩相流結構也會影響兩相流中的擾動分布。

制氫器反應區中氣相離散度很高由溶液中NaBH4濃度分布不均勻、催化劑顆粒在反應區容積內分布不均勻和流動水動力學特征不均勻引起。對于二組分流，實際研究中常使用均一化對數形式的離散分布函數描述。

須考慮到溶液中大量氣泡的相互作用。由于氣泡實際分布及速度未知，精確解難以獲得。在此情況下，可使用單元體積方法。單元體積內平均參數保持不變，含有足夠多的離散組分，與線性尺度上的平均流動特征相比，尺度要小。使用網格模型，將系統離散為大小相同網格，網格通常為球形，氣泡位于球體中央。

球狀坐標系統中的拉普拉斯方程寫成

粘性流體運動時，附著在網格中液體質量上力所做功僅部分消耗在該質量動能變化上，另一部分轉變為熱能，即由于粘性作用造成的能量耗散。單位液體體積內的能量耗散強度定義為：

將速度分量表達式帶入，得到

對上式在網格體積內積分，得到

5 結束語

NaBH4水解制氫過程涉及到復雜的物理化學現象，需對其兩相流動特性進行研究，作為產氫過程穩定性、制氫器設計與優化、制氫過程的噪聲控制等研究的基礎。

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Two-phase Flow Characteristics of Submarine Electrical-chemical Generator Plant Hydrogen Generation System of Sodium Boron Hydride Hydrolysis

Li Dapeng1，Wang Zhen2

（1. Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China; 2. Naval Dalian Warship Institute, Dalian 112700, Liaoning , China）

2014-04-08

TQ116

A

1003-4862（2014）11-0001-06

第47批“教育部歸國留學人員科研啟動基金”資助，教外司留[2013]第1792號。

李大鵬（1972-），男，博士后。研究方向：艦船動力裝置。