Аналитическое определение коэффициента теплоотдачи в баллоне с водородом Текст научной статьи по специальности «Физика»

АНАЛИТИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ В БАЛЛОНЕ С ВОДОРОДОМ

В.И. Кривцова, д.т.н., профессор, Ю.П. Кпючка, к.т.н.

Национальный университет гражданской защиты Украины

Хранение водорода в баллонах высокого давления (до 70 МПа [1]) на сегодняшний день является одним из основных способов его хранения на автотранспортных средствах. Однако такие характеристики, как высокое давление, большая плотность водорода, а также малая толщина стенок баллона, повышают их пожаровзрывоопасность. Одна из опасных ситуаций - повышение давления в баллоне с последующим его разрушением.

В работе [2], посвященной разработке автотранспортных средств, упоминается о возможности разрушения баллона в результате повышения температуры и давления водорода, однако какие-либо количественные характеристики не рассматриваются. Кроме того, отсутствуют данные о времени достижения критических параметров, которые зависят от характеристик водорода и баллона, а также от коэффициента теплоотдачи, который характеризует передачу тепла от баллона к водороду.

Целью данной работы является определение коэффициента теплоотдачи от стенки баллона к водороду в зависимости от характеристик водорода и баллона.

Коэффициент теплоотдачи можно определить исходя из следующего выражения [3]

№1 = а-Ь/^.

(1)

где N11 критерий подобия тепловых процессов, характеризующий соотношение между интенсивностью теплообмена за счёт конвекции и интенсивностью теплообмена за счёт теплопроводности; а - коэффициент теплоотдачи; X - коэффициент теплопроводности; Ь - характерный размер.

В работе [4] усредненное значение № для случая свободной конвекции в горизонтальном цилиндре определялось в соответствии со следующим выражением

N11 =

0,6 +

0,3870г • Рг-

1 +

0,559 Рг

Л9/(б

-16/Л/6

/9

, Ог-Рге(10"5;1012), (2)

2

Г

/

/

где: Рг критерий подобия тепловых процессов в жидкостях и газах, учитывающий влияние физических свойств теплоносителя на теп-

лоотдачу; Ог критерий подобия теплообмена при свободном движении в поле гравитации.

На основе аппроксимации экспериментальных данных [5] была получена следующая зависимость хНг (Т)

(Т) = 97,96 • (з,68 • 10"3 • Тн2 +1). (3)

Подставив (2) - (3) в (1), получаем зависимость коэффициента теплоотдачи

а

= 2,91 • 105 • (з,68 • 10~3 • ТНг +1)-

0,011

и

0,5

■ +

ч 0,5 Л

Р

у н2

2,5-10~3 -Ттт +1

н9

(4)

где: Ь - линейный размер поверхности теплообмена, м; Т8 - температура поверхности теплообмена, К; ТНг - температура водорода, К.

На рис. 1, в соответствии с (4) приведены зависимости коэффициента теплоотдачи от внутренней стенки баллона к водороду в зависимости от разницы температур между стенкой и водородом и внутреннего радиуса баллона (Уб=0,15 м3).

Из рисунка следует, что радиус баллона практически не оказывает влияния на коэффициент теплоотдачи. В то же время увеличение температуры водорода и его плотности приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи.

2

1

/

1. 3. 5 - ТН2 =300 К;

2. 4. 6 - ТН2 =600 К; L2 - тн =2 кг;

3. 4 - тн =4 кг; 1.2- тн =6 кг

Рис. 1. Зависимость коэффициента теплоотдачи от разницы температур между стенкой и водородом и внутреннего радиуса баллона

Выводы. В результате проведенных ислледований получена аналитическая зависимость коэффициента теплоотдачи в баллоне с водородом от радиуса баллона, плотности водорода, температуры водорода и стенки баллона. Показано, что наибольшее влияние на значение коэффициента теплоотдачи оказывает разница температур (Ts - T[N) и плотность водорода, в то время

как величина радиуса баллона не оказывает существенного влияния.

Список использованной литературы

1. Ключка Ю.П. Особенности использования водорода на автомобильном транспорте / В.И. Кривцова, Ю.П. Ключка // Проблемы пожарной безопасности. - 2009. - № 26. - С. 49-61.

2. Коноплев В.Н. Научные основы проектирования автотранспортных средств, работающих на газомоторных топливах : автореф. дис. на соиск. науч. степени докт. техн. наук: спец. 05.05.03 «Колесные и гусеничные машины» / В.Н. Коноплев. - Москва, 2008. - 45 с.

3. Рябова 1.Б. Термодинамка i теплопередача / 1.Б. Рябова, I.B. Сайчук, А.Я. Шаршанов. -Харюв : АПБУ, 2002. -352 с.

4. Free convection from horizontal cylinders [Електронний ресурс] // Режим доступу: http://users.wpi.edu/~chslt/ courses/es3003/ lect25_6.pdf.

5. Водород. Свойства, получение, хранение, транспортировка, применение: Справочное издание / Д.Ю. Гамбург, В.П. Семенов, Н.Ф. Дубовнин и др.: под ред. Д.Ю. Гамбурга, И.Ф. Дубовнина, - М.:Химия, 1989. - 672 с.