气体发生器设计计算的典型案例

1.所需气体摩尔数的估算

按照打捞深度为10m进行设计，水下10m处的大气压强约为两个大气压，在标准状态下，由理想气体状态方程可求得所需气体摩尔数为

假设燃烧气体经过冷却过滤层充入气囊后迅速冷却至平均温度50℃(323K)，由于体积、压强不变，此时实际所需气体摩尔数为

2.气体发生剂及化学冷却剂药量估算

进入气囊的气体是由气体发生剂产生的N2和化学冷却剂吸热分解的CO2共同组成，设其中N2为xmol，则CO2为(8.30-x)mol，气体发生剂的燃烧反应方程式如下:

假设气体发生剂各组分充分反应完全，其反应式如下:

NaN3相对分子质量为65，则质量为

65×2x/3=130x/3

气体发生剂的总质量为

130x/3÷65%=200x/3

据文献[28]记载，化冷却剂取气体发生剂药量的40%时，该体系可以达到较好的冷却效果，即冷却剂用量为200x/3×40%=80 x/3。ZnCO3的相对分子质量为125，则其摩尔数为80 x/3÷125=16 x/75。

化学冷却剂吸热分解方程式如下:

由假设可知16x/75=8.30-x，解得所需N2为6.84mol，CO2为1.46mol。

从而求得所需气体发生剂药量为

200x/3=456.05g

所需化学冷却剂药量为

80x/3=182.42g

3.反应器尺寸计算

由气体发生剂的质量和密度易得所需药饼的体积为

若取药饼外径为58mm，内径为16mm(电点火器的设计外径为15mm)，则所需药柱的总厚度为

考虑到过滤网与垫片的厚度，并留出一定余量，取反应器的长度为130mm。则反应器的容积为

4.冷却器尺寸计算

由化学冷却剂的质量和密度易得所需药剂的体积为

冷却器的内径与反应器相同，仍为58mm，故化学冷却器的长度为

考虑余量及过滤层厚度，取l=60mm；物理冷却器的长度可根据经验取60mm。(www.xing528.com)

5.气体发生器结构强度及壁厚计算

气体发生器的结构强度主要集中体现在反应器的壳体强度上。由于是第一次原理样机的实验，从安全角度出发，假设气体发生剂产生的气体瞬间全部封闭于反应器内，气体发生剂反应时的理论绝热火焰温度由Real程序算得T=1360.22K。根据文献[24]记载实测燃烧温度一般为560～850K，从安全角度出发，取最高温度T=850K。若假设反应物在瞬间反应完全，则由理想气体状态方程可知，反应器内的瞬时最高动压为

实际上，生成的气体会迅速离开反应器，强度计算可根据压力容器设计的经验公式[29]，反应器内所承受的静压可取动压的1/2，即

我们选取强度较高的热轧无缝钢管(如Q345)，屈服极限为σs=325MPa，取安全系数S=1.15，则其等价屈服应力为

式中　S——排气口有效面积(m2)，S=μA(μ为流量系数，μ＜1)。

将P静和σe代入式(5.15)可求得气体发生器钢管的壁厚比为

反应器内径已设计为d=58mm，则外径为

考虑安全因素及钢管的标准件，取钢管外径D=76mm，则气体发生器外壳及套筒的总壁厚为，套筒厚度取为5mm，外壳厚度取为4mm，它们之间留有0.5mm的装配间隙。

6.气体发生器排气口尺寸估算

由机械设计手册可知，当p/p0≤0.528时，标准状态下的体积流量为

式中　Qv——标准状态下的体积流量(L/min)；

p0——排气口前的绝对压力(Pa)；

T0——排气口前的滞止温度(K)。

假设气囊充气时间为3s，气囊进气口处温度为373K，气囊容积为0.11m3，气囊在水下所受压力为0.2MPa，气体发生器内由于产生的气体迅速从排气口流出，可根据压力容器经验假设其内压为2 MPa；已知气体发生器总共产生的气体为8.30mol，在标准状态下的体积为185.92L，气体在标准状态下的体积流量为3718.40L/min将假设和已知条件代入式(5.16)，可求得排气口有效面积为

所以排气口半径为

则直径为7.68mm，考虑流量系数小于1，初步选定排气口内径为10mm。

7.充气时间的验算

假设气囊充气过程进行很快，气体来不及与外界进行热交换，这样的充气过程可认为是绝热充气过程；气囊瞬间变形很小，可认为是定积气容，气囊从压力p1到压力p2为止的绝热充气时间可由下式计算[30]:

式中　V——定积气容的容积(m3)；

S——排气口有效面积(m2)；

Ts——充气气源的温度(K)；

p/ps——排气口上游与下游的绝对压力比。

当0＜p/ps＜0.528时，有φ1 p/ps()=p/ps，将上面的假设和得出的已知条件代入式(5.17)，可得

计算的理论时间小于假设时间，可满足要求。