Файл: О механизме агломерации при горении твердых топлив с большим содержанием металлического и органического горючих (препринт)..pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 03.11.2024
Просмотров: 11
Скачиваний: 0
АКАДЕМИЯ НАУК СССР
ОРДЕНА ЛЕНИНА ИНСТИТУТ ХИМИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ
Г. А. Острецов, Ю. В. Фролов, Л. Я. Кашпоров, В. Н. Степанов
О МЕХАНИЗМЕ АГЛОМЕРАЦИИ ПРИ ГОРЕНИИ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ C БОЛЬШИМ СОДЕРЖАНИЕМ
МЕТАЛЛИЧЕСКОГО И ОРГАНИЧЕСКОГО ГОРЮЧИХ
(Препринт)
ЧЕРНОГОЛОВКА 1974
Послана в журнал «Физика горения и взрыва»
-ɔ |
~.—*⅛- |
I |
|
|
S |
Гос. п ‘блнчняя |
|
|
|
a |
HayMHo-TissrhKMS-CKaR |
|
|
|
,5 |
библио,<,κa '. CCP |
; |
|
|
1 |
ЭКЗЕМПЛЯР |
∙'C'16^S |
||
⅛ |
ЧИТАЛЬНОГО ЗАЛА |
Í |
||
|
|
|
|
УДК 536.463 |
В работе рассмотрены особенности механизма агломерации |
||||
при горении модельных смесей на основе перхлората |
аммония, |
|||
содержащих от 20 до 60% металлического горючего |
(алюми |
ния), в зависимости от их композиционного и структурного сос тава и условий сжигания.
Механизм агломерации в процессе горения твердых топлив весьма сложен и не поддается простому аналитическому описа нию [1—4]. Положение осложняется и тем, что агломерация является как следствие прямого взаимодействия (слияния)
частиц металла при их нагреве в реакционном |
слое к-фазы, так |
и результатом цементации частиц продуктами |
разложения свя |
зующего и окислителя. В последнем случае прямой контакт и
взаимодействие частиц алюминия начинаются только в газовой фазе, т. е. после вылета с поверхности горения и дальнейшего прогрева до весьма высоких температур.
В силу сказанного целесообразно в первую очередь выделить
те факторы, которые являются определяющими |
в |
комплексной |
|
гамме причин агломерации. |
|
|
|
Одним из таких факторов является скорость горения соста |
|||
вов U0- |
|
частиц в реак |
|
Этот параметр определяет время нахождения |
|||
ционном слое к-фазы ті ~ κ∕uθ, где |
κ — температуропровод |
||
ность. От M0 зависит скорость, а также |
изменение |
скорости с |
|
давлением потока газофазных продуктов горения. |
|
|
Действительно, для CTOKCOBCKoro режима обтекания действу ющая на частицы со стороны газофазных продуктов сила про порциональна скорости U1- и плотности о,, т. е. фактически про изведению ur pr. Но согласно уравнению сохранения, массы, за писанному для сечения, совпадающего с поверхностью горения,
Uopc = ««гРг + (1 |
-- ≈) «к°к, |
|
где а — доля газофазных продуктов горения, |
⅛—средняя ве |
|
личина. характеризующая импульс |
потока |
конденсированных |
1
частиц (индексы о, г и к относятся соответственно к исходному составу, газофазным и конденсированным продуктам горения).
Если закон изменения скорости горения u0 с давлением за
писать в виде:
U0 = bp^, ,
то при условии, что газофазные продукты горения ,*доминируют получаем:
i^rPr |
'ʌ-' «о ʌ* |
P |
на поверхности |
горения |
||||
Отсюда время пребывания частиц |
||||||||
|
|
1 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
Urpr |
|
р |
|
|
|
|
время прогрева в реакционном слое |
к-фазы |
|
|
|
||||
τl |
`j |
1 |
~ |
|
1 |
|
|
|
2 |
|
2v ’ |
|
|
|
|||
|
|
u0 |
|
pi |
|
|
|
|
а суммарное время |
|
|
1 |
|
1 |
|
|
|
T = Tl + T2 |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|||
Таким образом, любой фактор, |
способствующий изменению |
|||||||
скорости горения U0 и ее зависимости |
от давления |
(изменение |
||||||
дисперсности окислителя, введение катализаторов |
или |
ингиби |
||||||
торов скорости горения, |
замена |
алюминия |
на его более легко |
|||||
воспламеняющиеся сплавы с |
магнием и т. п.), |
будет оказывать |
Рис. 1. Зависимость скорости го |
Рис. 2. Зависимость среднемассового |
|
рения U0 от давления для составов: |
размера частиц D4 j от давления для со |
|
/-Xs 1; 2 — № 2 |
ставов с различным |
типом связующего: |
|
/—№ I, |
2 —№ 2 |
* Во втором предельном случае, когда продукты горения образуются глав ным образом в форме конденсированных частиц (малогазовые, термитные составы), на поверхности горения образуется каркас, по размеру эквивалент ный исходному образцу.
2
воздействие на время пребывания частиц на поверхности горе ния, а следовательно, и на степень их агрегирования.
Для рассматриваемых композиций скорость горения возрас тает пропорционально давлению в степени 0,3—0,5 (рис. 1). По этому интенсивность агломерационных процессов для этих сос
тавов с ростом давления должна постепенно падать.
Однако экспериментальные результаты свидетельствуют о том, что характер зависимости среднемассового размера частиц
Da з от давления является более сложным и скорость горения i⅛=Wo(p) не всегда является определяющим параметром.
Примером тому графики на рнс. 2. Здесь проявляется роль второго параметра — органического горючего-связующего, и осо бенностей его термической деструкции.
Окислитель — перхлорат аммония является легко газифици рующимся компонентом, образующим исключительно газооб разные продукты.
Горючее-связующее в зависимости от его химической струк туры, скорости нагрева и температурного интервала при разло жении может образовывать как газообразные, так и конденси рованные продукты. По данным термогравиметрического анали
за |
их деструкция начинается уже при T = 200÷300oC. При этом |
|||||||||||||
в основном образуются жидко-вязкие смолистые вещества. |
||||||||||||||
|
C повышением температуры деструкция проходит более глу |
|||||||||||||
боко с |
образованием |
дополнительно |
твердых |
и газообразных |
||||||||||
продуктов. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
ния |
В таблице приведен состав продуктов термического разложе |
|||||||||||||
горючих-связующих |
первого |
и второго |
типов в условиях |
|||||||||||
быстрого нагрева. |
|
|
|
|
|
|
|
Таблица |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Характеристика |
продуктов |
термической деструкции горючих-связующих |
||||||||||||
[ |
|
|
|
в |
условиях теплового |
удара |
(р — 1 |
атм) |
|
|||||
|
|
|
|
-проI ЧИЄ' |
Температура ,среды°С |
|
|
|
|
|
вещества |
остаток |
||
Горючее- -связующее |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
Элементарный |
|
|
|
Выход продуктов, % по массе |
||||||||
|
состав |
связующих, |
|
|
|
|||||||||
|
|
% по массе |
|
|
Среда |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
смолис |
твердый |
|||
|
C |
н |
о |
N |
|
|
|
|
газ |
сажа |
||||
|
|
|
|
|
тые |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
700 |
Окислительная |
25,8 |
|
— |
71,3 |
2,9 |
||
№ 1 |
80 |
100 6,9 |
3,1 |
|
700 |
Инертная |
26,2 |
|
— |
67,0 |
6,8 |
|||
1200 |
Окислительная |
51,7 |
49,6 |
6,7 |
1,0 |
|||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
1200 |
Инертная |
29,0 |
57,0 |
9,3 |
4,7 |
||||
|
|
|
|
|
|
700 |
Окислительная |
82,6 |
|
— |
14.9 |
2,5 |
||
№ 2 |
31 |
32 |
22 |
|
14 |
700 |
Инертная |
92,4 |
|
— |
3,8 |
3,8 |
||
|
|
|
|
|
1200 |
Окислительная |
83,8 |
|
— |
14,6 |
1,6 |
|||
|
|
|
|
|
1200 |
Инертная |
91,9 |
3,4 |
3,2 |
2,5 |
3
Связующие первого типа, содержащие большое количество углерода, в инертной и окислительной средах при температуре 700oC разлагаются с образованием до 60—70% смолисты;
веществ; выход газофазных продуктов составляет 26—27%'. При этих же температурах малоуглеродистые связующие разлагают ся с выходом, главным образом, газофазных продуктов. Концент рация смолистых веществ не превышает 5—15%. а твердый ос таток— 3—4%.
C увеличением температуры до I2000C существенных изме-
Iieiiijii в составе продуктов разложения связующих второго тина
не происходит. Для них характерно практически полное отсут ствие при разложении сажистых частиц.
Для связующих первого типа, наоборот, повышение темпера туры приводит к образованию и увеличению выхода сажистых частиц и газообразных продуктов с одновременным снижением до 7--10% количества смолистых веществ.
Следует подчеркнуть, что данные результаты относятся к атмосферному давлению. Однако на основании имеющихся ма
териалов по деструкции |
полимеров |
Í5] можно |
предположить, |
||
что с ростом давления увеличивается |
количество сажистых |
час |
|||
тиц и высокомолекулярных непредельных |
углеводородов. |
По |
|||
этому с определенностью |
говорить |
о причинах |
неадекватного |
||
характера агломерационных процессов при |
горении составов с |
различным горючим (рис. 2) еще трудно. Можно лишь постули ровать следующую схему.
В металлизированных композициях рассматриваемого типа металлическое горючее доминирует. Частицы металла контакти
руют между собой |
и при |
|
нагреве получают |
возможность сли |
|||||||
ваться. Имеющиеся между ними прослойки |
|
из легко |
газифици |
||||||||
рующихся горючего и окислителя, |
быстро разлагаясь в реакци |
||||||||||
онном слое к-фазы, увеличивают |
число |
контактов. |
При этом, |
||||||||
если с ростом давления |
в |
продуктах |
разложения связующего |
||||||||
количество жидко-вязких |
продуктов уменьшается, |
а температу |
|||||||||
ра |
па поверхности горения |
возрастает, |
то |
размер |
агломератов |
||||||
с |
давлением увеличивается. |
В результате |
отдельные |
частицы |
|||||||
скрепляются жидко-вязкими и углеродистыми частицами |
и об |
||||||||||
разуют менее прочные и хрупкие агломераты.* |
|
|
|
|
|||||||
|
Происходящий с |
повышением давления и |
температуры |
про |
цесс углубления деструкции горючих с образованием углероди стых частиц приводит к упрочнению агломератов за счет увели чения вязкости цементирующих веществ, и как следствие, к не большому росту /)43.
* Коэффициент поверхностного натяжения алюминия почти на порядок превышает таковой для жидко-вязких продуктов деструкции органических связующих.
4
Немаловажную роль в образовании и прочности агломера тов, с другой стороны, играет и температура поверхности 7\ го
рения составов.
Если Ts превышает температуру плавления соответствующе го металла, то агломерационные процессы для составов с легкогазифицирующнмнся компонентами должны проявляться в более резкой форме, чем для составов с высокоуглеродистыми связу ющими. H наоборот, если 7'λ<7πj, металла, то основным процес-
Рис. 3. Зависимость размера частиц конденсиро
ванных продуктов |
горения Di з |
от соотношения |
|
|||
алюминия и перхлората аммония |
при |
давлениях: |
|
|||
/—I; |
2 — 20; 3 — 50 |
атм |
|
|
|
|
сом агломерации частиц будет их цементация |
продуктами |
де |
||||
струкции газифицирующихся компонентов. В |
этом |
случае агло |
||||
мерация на составах с газифицирующимися |
компонентами |
мо |
||||
жет оказаться менее резко выраженной, |
чем |
для |
композиций |
второго типа. Экспериментальные измерения с помощью тонких термопар температуры поверхности горения составов (рис. 2)
Sуд, Cm7Iг
Рис. 4. Зависимость среднемассового размера D13 агломератов от Syn ПХА при давленнях:
7—1; 2 — 20; 3 — 50; 4—100 атм
5
показали, что Ts для композиций с легко газифицирующимися органическими горючими (рис. 3; 1, 2) при атмосферном давле
нии равна 700—710°C, т. е. лежит выше Tnjl |
алюминия и |
сплава |
||||||
алюминиймагний; |
температура Ts для составов с |
трудно |
гази |
|||||
фицирующимися |
органическими |
горючими |
(рис. |
2, |
4, |
5, |
6) в |
|
среднем составит 500—530°C, т. е. не превышает Тпя |
алюминия. |
|||||||
C повышением давления |
до 50 |
атм температура |
поверхности |
|||||
горения возрастает на ~ 100oC, |
но по-прежнему остается |
ниже |
||||||
температуры плавления алюминия. |
|
|
|
|
|
|||
Повышение давления, с одной стороны, способствует |
увели |
|||||||
чению скорости горения U0, |
а следовательно, |
и urρr. |
Это |
умень |
||||
|
|
|
шает время преоывания час |
|||||
|
|
|
тиц на поверхности |
горения |
Рис. 5. Зависимость среднемассового размера агломератов D4 3 от Sya порош ка алюминия при давлениях:
7 — 1; 2 — 20; 3— 120 атм
и темпа изменения указанных вел
тов разложения) с давлением.
и в реакционном слое к-фа-
зы, т. е. уменьшает |
вероят |
||
ность агломерации |
частиц. |
||
C другой стороны, |
рост |
р |
|
увеличивает Ts |
и |
ведет |
к |
рассмотренным |
выше изме |
нениям в структуре и соста ве поверхности горения, т. е. к интенсификации агломера ционных процессов.
Совокупность этих фак торов позволяет объяснить наблюдаемые различия в размере агломератов, в со ставе двух выделенных выше групп, а также появление максимума на кривой D4 3(p) (рис. 2), положение которо го зависит от соотношения чин («о, Ts, состава продук-
Косвениым подтверждением высказанных соображений о ро ли давления и свойств связующего является анализ состава и структуры агломератов, отобранных при горении в области р =
= 1 ÷50 атм.
Агломераты первой группы топлив представляют собой плос кие лепестки, состоящие из сферических частиц алюминия,
скрепленные между собой продуктами термической деструкции органических горючих. Лепестки не обладают высокой прочно стью и легко разрушаются при слабых механических воздейст
виях. Повышение давления ведет к уменьшению числа лепест
ковых агломератов и к одновременному росту количества моно-
6