流動特性對塊狀NaOH溶解速率的影響

孫 凱 邢樹兵 張 嫻 唐桂林

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津 300384)

近年來，隨著魚雷動力電池技術(shù)的進步，Al/AgO電池憑借高比功率、高比能量、安全性高、儲存壽命長等方面的優(yōu)勢，使得以Al/AgO電池為動力的新型電動魚雷得到各國海軍的高度重視，被絕大多數(shù)國家的海軍視為魚雷發(fā)展的方向。Al/AgO電池系統(tǒng)激活后，海水從進水閥進入，注滿電液艙的同時，艙內(nèi)固體電解質(zhì)在水流擾動下溶解形成電解液。電解液被循環(huán)泵增壓，經(jīng)過溫控閥進入電池，然后經(jīng)氣體分離器將氣體分離后回至循環(huán)泵進行循環(huán)。為提高魚雷動力電池的比能量和比功率，應使魚雷電池能夠在最有利的條件下工作，保持良好的工作狀態(tài)，充分發(fā)揮其優(yōu)良性能。為達到這一目的，需要設置輔助系統(tǒng)以盡可能滿足電池對溫度、電解質(zhì)濃度及電極表面狀態(tài)等方面的要求[1～2]。

電解液的組成及各組分的濃度控制對提高鋁陽極的電化學性能至關(guān)重要[3～4]。ALCAN公司的Hunter等研究了電池堆的電解液循環(huán)系統(tǒng)并設計出適合大功率輸出的Al/AgO電池堆系統(tǒng)[5～6]。蔡年生指出為保證反應正常進行，NaOH濃度保持在2.5mol·L-1以上[7]。Al/AgO電池系統(tǒng)激活初期以固態(tài)NaOH溶于水形成電解液，NaOH的溶解速率決定了電解液的濃度及溫度，電解液的狀態(tài)決定了Al/AgO電池的帶載能力。本文通過對水體流動狀態(tài)進行數(shù)值模擬，分析了水體雷諾數(shù)對塊狀NaOH溶解速率的影響。從而為電池設計中電解液的控制提供依據(jù)，保證放電時電解液維持最佳的NaOH濃度。

1 實驗

1.1 塊狀NaOH制備

在干燥環(huán)境(空氣濕度≤8%)中，采用顆粒狀NaOH(天津市風船化學試劑科技有限公司，純度≥96%)，利用模具將NaOH在一定壓力下制得橫截面積為s的塊狀NaOH，密度為1.36×106kg/m3，密度計算公式如下：

m為塊狀NaOH質(zhì)量，kg；

s為塊狀NaOH橫截面積，m2；

h為塊狀NaOH厚度，m。

1.2 塊狀NaOH溶解速率測試

實驗條件：在1000mL的燒杯中放入500mL自來水，開啟攪拌器(天津市華興科學儀器廠，DGL-8401型電動攪拌器)進行攪拌，設定轉(zhuǎn)速為0r/min～650r/min。待水溫穩(wěn)定在10℃～15℃時，稱取0.04kg塊狀NaOH放入燒杯內(nèi)，開始計時，進行實驗。

測定方法：利用NaOH在水中溶解放熱的原理，測試NaOH溶解過程中燒杯內(nèi)水溫的變化，實驗裝置如圖1。待水溫升至最高點時，記錄此時的溫度T及時間t，根據(jù)初始水溫、最高溫度和最高溫度時間計算塊狀NaOH的溶解速率，如下式：

T為最高水溫，℃；

T0為實驗初始水溫，℃；

t為最高水溫出現(xiàn)時間，s；

A為常數(shù)，2.28×10-3kg/℃。

表1 不同雷諾數(shù)下塊狀NaOH溶解速率對比

1.3 流體流動狀態(tài)分析

利用CFX軟件對燒杯內(nèi)水體的流動狀態(tài)進行了仿真分析，其中葉片部分為固體域，水體部分為流體域，將葉片與水體接觸壁面網(wǎng)格進行加密處理。在前處理中，將水體部分設置為Fluid Domain，介質(zhì)為water，湍流模型為k-Epsilon，固壁面采用對水作用無滑移，越靠近壁面表面部分，其速度越小，近壁區(qū)的壁面函數(shù)為Scalable；葉片為Solid Domain，類型設置為Immersed Solid，殘差收斂精度為10-5，葉片固體域采用旋轉(zhuǎn)坐標系，仿真結(jié)果如圖3、圖4所示。在系統(tǒng)內(nèi)定義垂直于燒杯軸線的平面為水平截面，通過燒杯軸線的平面為豎直截面。

圖1 溶解實驗裝置圖

圖2 不同雷諾數(shù)下塊狀NaOH溶解速率對比

圖3 流場內(nèi)Re=8.19×104時不同截面速度矢量圖

圖4 不同雷諾數(shù)下豎直截面渦量云圖

2 實驗結(jié)果分析

2.1 流體不同流動狀態(tài)對塊狀NaOH溶解速率的影響

由表1和圖2可知，在10℃～15℃的水中，塊狀NaOH的溶解速率隨雷諾數(shù)的增大呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，但隨著雷諾數(shù)增大到一定程度后，溶解速率趨于平緩。由圖3可以看出，實驗裝置中水體的流動狀態(tài)可以分解為水平和豎直兩個方向：在水平面上呈現(xiàn)圍繞攪拌槳的旋轉(zhuǎn)流動，在豎直面上呈現(xiàn)以垂直于攪拌槳為軸、從攪拌槳向燒杯壁面的旋轉(zhuǎn)流動，形成對稱的兩個渦流。而這種在豎直面上的渦流對沉在燒杯底部的塊狀NaOH的濃度擴散起到關(guān)鍵作用，有利于系統(tǒng)內(nèi)NaOH濃度的均勻化，有效避免了NaOH局部濃度過高而與水形成難溶的NaOH·H2O。由圖4可以看出，在不同雷諾數(shù)下水體內(nèi)的渦量分布存在明顯區(qū)別。在較低擾動下，Re=1.64×104，水體渦量很小，只在攪拌槳附近存在渦流。而在較高擾動下，Re=4.09×104、8.19×104，水體渦量不斷增大，渦流充滿全部水體。渦量的大小影響NaOH在水中的傳質(zhì)過程即溶解速率，在渦流擴散系統(tǒng)內(nèi)，NaOH的分子擴散通量要遠小于渦流擴散通量，渦流擴散對NaOH溶解起主導作用。隨著水體雷諾數(shù)的增大，水體內(nèi)渦量從只存在于攪拌槳附近逐步增大至充滿整個水體。由于水體內(nèi)渦量的分布受容器特征尺寸及水量的影響，所以在本系統(tǒng)內(nèi)，Re=4.09×104時，渦量分布已接近實驗裝置壁面，在Re>4.09×104后，水體內(nèi)渦量的增加逐漸放緩，導致了塊狀NaOH溶解速率增大趨于平緩。

2.2 塊狀NaOH溶解速率與雷諾數(shù)的對應關(guān)系

根據(jù)實驗結(jié)果對塊狀NaOH的溶解速率與雷諾數(shù)之間的關(guān)系進行曲線擬合，結(jié)果見圖2。

擬合公式如下：

y=y0-Ae-Re/B

式中：y為塊狀NaOH溶解速率，kg/s；

Re為雷諾數(shù)；

y0為常數(shù)，1.19×10-3kg/s；

A為常數(shù)，1.20×10-3kg/s；

B為常數(shù)，2.47×104。

由公式(3)可以看出，塊狀NaOH在水中的溶解速率與系統(tǒng)內(nèi)雷諾數(shù)成e指數(shù)負相關(guān)性。

3 結(jié)論

在本文的實驗條件下，通過對水流不同流動狀態(tài)下塊狀NaOH溶解速率的對比分析，可以得出：

(1)塊狀NaOH在水中的溶解速率會隨著雷諾數(shù)的增大呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，但雷諾數(shù)達到一定程度后，塊狀NaOH溶解速率趨于平緩。溶解速率與雷諾數(shù)成e指數(shù)相關(guān)性。

(2)本系統(tǒng)水體的流動狀態(tài)可以分解為水平和豎直兩個方向，在豎直面上形成的渦流對NaOH的溶解起到主導作用，有效避免了NaOH與水形成難溶的NaOH·H2O，可通過增大系統(tǒng)內(nèi)豎直面的渦流來提高NaOH的溶解速率。

[1]蔡年生.現(xiàn)代魚雷動力電池技術(shù)[J].艦船科學技術(shù)，2003，(1).

[2]Dow E.G.and Tacker，S.P.Demonstration of high power Al-AgO battery[R].NUWCDIVNPT Technical Report，1993，10：262.

[3]李學海，王為，呂霖娜，伊宇.電解液組成對Al/AgO電池性能的影響[J].電源技術(shù)，2006，30(9)：760-763.

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[7]蔡年生.魚雷推進用鋁/氧化銀電池系統(tǒng)電液排放研究[J].船電技術(shù)，1998，(5).