潜艇电化学发电机装置硼氢化钠水解制氢系统两相流动特性研究

李大鹏 , 王臻



潜艇电化学发电机装置硼氢化钠水解制氢系统两相流动特性研究

李大鹏1, 王臻2

（1. 海军工程大学动力工程学院，武汉 430033; 2. 海军大连舰艇学院外训系，辽宁大连 112700）

潜艇电化学发电机装置硼氢化钠水解制氢系统涉及到复杂的物理化学现象，对制氢过程的气泡形成、生长、浮升、融合、脱离等两相流动现象进行了研究。研究结果可作为潜艇电化学发电机装置硼氢化钠水解制氢系统的产氢过程稳定性、制氢器设计和运行优化、产氢过程的噪声控制等研究的基础。

潜艇 电化学发电机 硼氢化钠 水解 制氢 两相流动

0 前言

硼氢化钠（NaBH4）水解产生氢气，AIP潜艇电化学发电机装置可使用NaBH4水解制氢[1-5]。NaBH4水解制氢过程中，要涉及到气泡的形成、生长、浮升、融合、脱离等两相流动现象，对其研究可基于已有的两相流动模型进行，并在此基础上，对产氢稳定性、制氢器设计和运行优化、噪声控制等方面进一步开展研究。

1 水解产氢条件

NaBH4在固体催化剂作用下水解时，H2优先在催化剂颗粒表面释放出来，形成的气相空间减小了进入反应区的反应物质量，并持续到在气液两相空间建立起动态平衡。

固体催化剂颗粒表面上，H2气泡生长。H2气泡尺寸取决于气泡脱离力与将气泡粘附在固体颗粒表面上的附着力的相对大小。脱离力包括浮升力和溶液流动时的水动力学力，附着力为表面能力。

NaBH4溶液流动过程中，气相形成机理和过程如下：在初始溶液所占据空间内，由于密度波动，液相空间会形成以微小气泡形式存在的气相；溶液温度升高会加速气泡中气体的扩散，并增大出现大尺度气泡脉动的几率；当气泡足够大，气泡形成会稳定下来并成为气化核心，气泡尺寸持续增大。

微小气泡的存在是不稳定的，这是因为当气相空间达到一定规模，溶液的体积变化不能弥补相间接触面上具有不利影响的能量效应。如果认为气泡近似为球形，在小尺寸气泡情况下，气泡的总表面积与溶液体积之比相当大，气泡的最小尺寸决定了脉动情况下的液相稳定性。这种大量小尺寸气泡聚集存在的现象称为核态气化。核态气化属于液相不稳定平衡状态。对于较小尺寸气泡聚集，液相是稳定的；对于较大尺寸气泡聚集，气相是稳定的。水解反应时存在着确定的最小脉动尺度，进而向气相过渡，开始气相的形成和增长。大尺度异相脉动由液相空间内的核态气化维持。

吉布斯建立了异相系统的相平衡条件[6]。存在表面张力作用的平衡条件为

2 氢气泡增长

溶液中气泡长大是质量交换的结果，即H2进入气泡中。流动溶液中传质有两个原因：1）组分浓度差；2）水力流动。这种传质称为溶液中物质的对流扩散，由液相中反应物浓度方程描述[6]:

连续性方程

对流扩散方程

H2气泡半径由气泡中气体质量决定。根据菲克定律，由气泡表面的浓度梯度计算[8]：

上述方程组只能数值求解。假设扩散过程为稳态，且沿球状气泡表面方向上的浓度导数与沿半径方向上相比很小，对流扩散方程简化成

NaBH4碱性溶液中含有4～6%浓度的NaOH。NaOH是很强的表面活化剂。H2气泡表面上存在表面活化剂可以改变扰流条件，增大流动阻力系数，同时减小传质强度。使用溶液与表面活化剂接触速度为零的粘附壁面流动条件，气泡质量流量可表示为使用固体球状颗粒直径表达的形式：

3 氢气泡浮升速度

考虑溶液中单个H2气泡浮升时，假设传质对溶液水动力学特性无影响。对于稳定流动，将动量守恒、连续性方程和对流扩散方程写成无因次流函数形式

其中：

在r=1处 （18）

由于表面活化剂的存在，根据上述方法计算得到的气泡浮升速度、阻力系数与实验数据间会存在不一致。加入表面活化剂的液体中气泡浮升速度和阻力系数可根据固体绕流公式计算[11]。

不规则形状气泡螺旋运动过程中气泡形状变化，运动速度由下式计算[13]

考虑到气泡表面积变化、相变等现象后，描述液体中单个气泡运动过程的微风方程组[14]。

4 制氢器反应区内的两相流动

制氢器反应区内的两相混合物从结构上可分类为气体乳状液，其特征为含有气体、气泡尺寸分布离散上。气体成分包括水解过程中产生的H2、水蒸气、乙硼烷（B2H6）等其他气体，但B2H6等气体在H2中含量不超过0.05%，可忽略对气泡水动力学特性的影响。气体乳状液中相分布结构和特征对相间作用过程的流动特性有影响。两相流结构特征影响一些特性，如水动力学压力损失、相间力学作用造成能量损失等。此外，两相流结构也会影响两相流中的扰动分布。

制氢器反应区中气相离散度很高由溶液中NaBH4浓度分布不均匀、催化剂颗粒在反应区容积内分布不均匀和流动水动力学特征不均匀引起。对于二组分流，实际研究中常使用均一化对数形式的离散分布函数描述。

须考虑到溶液中大量气泡的相互作用。由于气泡实际分布及速度未知，精确解难以获得。在此情况下，可使用单元体积方法。单元体积内平均参数保持不变，含有足够多的离散组分，与线性尺度上的平均流动特征相比，尺度要小。使用网格模型，将系统离散为大小相同网格，网格通常为球形，气泡位于球体中央。

球状坐标系统中的拉普拉斯方程写成

粘性流体运动时，附着在网格中液体质量上力所做功仅部分消耗在该质量动能变化上，另一部分转变为热能，即由于粘性作用造成的能量耗散。单位液体体积内的能量耗散强度定义为：

将速度分量表达式带入，得到

对上式在网格体积内积分，得到

5 结束语

NaBH4水解制氢过程涉及到复杂的物理化学现象，需对其两相流动特性进行研究，作为产氢过程稳定性、制氢器设计与优化、制氢过程的噪声控制等研究的基础。

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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“教育部归国留学人员科研启动基金”资助，教外司留[2013]第1792号。

李大鹏（1972-），男，博士后。研究方向：舰船动力装置。