РАЗРАБОТКА НАУЧНЫХ ОСНОВ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ И ПРОМЫШЛЕННОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОДОРОДОГЕНЕРИРУЮЩИХ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ АКТИВНЫХ ЭНЕРГОАККУМУЛИРУЮЩИХ ВЕЩЕСТВ (01.03.2010)

Автор: Терещук Валерий Сергеевич

При вертикальном расположении горящего торца (Гречнев В.И. и Максименко А.И.) горение подобных зарядов также было крайне неустойчивым.

Автор проанализировал теоретически неустойчивость горения в этих случаях и показал, что она возникает вследствие стекания расплавленного слоя с горящего торца заряда. Эти выводы совпали с результатами экспериментов. Автором оценена толщина расплавленного слоя Х для 4-х металлов: Na, Li, Mg и А1 по уравнению Михельсона-Герца. Зная толщину расплавленного слоя и применяя формулу скорости стекания жидкости с вертикальной пластины, автором была получена расчетная формула средней скорости движения расплавленного прогретого слоя V:

где U0 - cкорость горения прогретого слоя. Для всех металлов для оценочных расчетов принималась 1 см/сек, что соответствует экспериментальной средней скорости горения сильнометаллизированных топлив при 2 МПа; Ts - температура кипения металла, К; g - ускорение свободного падения, м/сек2; Т0 - начальная температура заряда (293 К); ТL - температура плавления; f – поправочный коэффициент в формуле численно больший единицы, на основании теории Клаузиуса равный 1,25 и являющийся постоянной величиной (из молекулярно-кинетической теории для выражения теплопроводности через вязкость и теплоемкость). k = Ср/Сv – поправочный коэффициент Эйкена, принимаемый равным 4/3. Результаты расчета приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Толщина и скорость стекания расплавленного слоя металла.

металл Na Li Mg Al

Х, см 1,5 0,466 0,326 0,715

V, см/сек 1106 300 54,7 292

Cамая низкая скорость стекания - у магния, что и подтверждается экспериментами на магниевых составах, на которых в сотнях экспериментов не наблюдалось ни одного взрыва. У натрия самая высокая скорость стекания (почти в 20 раз больше, чем у магния) и самый толстый прогретый слой, поэтому газогенераторы торцевого горения на натрии больше всего подвержены взрывам, что и наблюдалось в экспериментах. Литий и алюминий занимают промежуточное положение по скорости стекания (всего в 5-6 раз больше, чем у магния), поэтому изредка и случаются на практике взрывы. Исследованиями установлено, что устойчивость горения определяется соотношением скорости стекания к скорости горения.

Совершенствование зарядов твердого гидрореагирующего топлива (ТГРТ) шло в

Соответствии с предвидением Ю.В. Кондратюка, что для устойчивости горения активные металлы лучше применять в смеси с другими веществами, т.е. в виде смесевого топлива, композита. В дальнейших модельных и натурных отработках газогенераторов, в которых непосредственно участвовал автор, ГРТТ состояло в основном из А1 и Мg с небольшими добавками окислителя и связки. В этих случаях при теплопроводности подобных составов в несколько раз ниже теплопроводности чистых металлов прогретый слой не превышал 1 мм, и практически не был склонен к стеканию металла по торцу, т.е. скорость стекания была явно ниже скорости горения, что давало устойчивое горение в любых условиях.

При использовании для получения водорода сильнометаллизированных композитов (металла больше 50%) поведением конденсированной фазы в продуктах сгорания уже нельзя пренебрегать, особенно в условиях агломерации как на поверхности горящего торца, так и в потоке ее по длине к.с. вплоть до выхода из камеры. Показано, что в этих случаях

полнота сгорания металла сильно зависит от относительной длины зоны смесеобразования и горения L01/Dк.с. Исследовалось горение торцевого цилиндрического композита горизонтального расположения с вертикально горящим торцем, в сторону которого впрыскивлась вода. Полнота сгорания оценивалась экспериментально и теоретически по конечной характеристике – удельной газопроизводительности q нм3 водорода с 1кг сгоревшего композита. Наибольшее значение величины q достигается при оптимально подобранном расстоянии от форсуночного блока до горящего торца - L01.

Автор экспериментально и теоретически исследовал газопроизводительность в зависимости от давления в к.с. (Рк.с.) и от длины зоны L01, возможность создания оптимального расстояния L01 методом прижатия горящей поверхности композита к различного рода опорам и разработал теоретическую модель процесса увеличения местной скорости горения композита под опорой.

Первая задача решалась при исследовании движения частиц несгоревшей к-фазы от горящего торца до выхода из камеры сгорания. Для выяснения полноты сгорания ГРТТ важны не только зоны горения и cмешения, испарения и горения, но и зоны, где возможно осаждение несгоревшей К-фазы на стенку к.с. Важную роль в этом исследовании играет агломерация частиц. Выявлено, что чем меньше начальный диаметр частиц (меньше 75мкм), тем интенсивней агломерация таких частиц. После расчета агломерации по всему начальному спектру частиц распределение частиц сдвигается вправо, т.е в сторону увеличения, причем тем значительнее, чем ниже давление. Для расчета агломерации использованы формулы, разработанные для отдельных частиц ИХФ АН СССР и НИИПХ. С применением зависимости Розина-Рамлера автором этот метод обобщен на весь спектр частиц порошка ПАМ-4 (порошок А1-Mg 50/50).

Используя термодинамические характеристики ГРТТ в диапазоне давлений 2-7 МПа, автором показана степень равнозначности аэродинамических и гравитационных сил в диапазоне уже агломерированных диаметров частиц металла dк = 15-100мкм согласно предложенному критерию:

где где Vг, Z, R, T, ? и Р – скорость газа, весовая доля газа в продуктах сгорания, газовая постоянная, температура, вязкость и давление газовой среды соответственно; ? - коэффи-

циент в законе скорости горения ГРТТ: U0 = u1 ? P?. u1- скорость горения при Р=1 атм.

Для иллюстрации приведем в таблице 2 результаты расчетов критерия А для трех давлений и для трех значений dк. Из результатов расчетов критерия А, представленных в таблице 2 можно заключить, что с ростом давления cреды Р и диаметра частицы dk влияние гравитационных сил Fграв начинает преобладать над аэродинамическими Fаэр.

Таблица 2 – Отношение аэродинамических сил к гравитационным.

dk,,мкм; Р, Мпа 2 4 7

100 1,64 0,9 0,54

50 6,6 3,6 2,17

15 73,1 40 24,1

Следовательно, должна увеличиваться доля непрореагировавших частиц, упавших на стенку камеры сгорания, т.е. должна падать условная (располагаемая) полнота сгорания композита.

Из формулы и из данных таблицы 2 видно, что диаметр частицы по своему влиянию минимум в два раза превосходит влияние давления в камере сгорания на осаждение частиц на стенку. В свою очередь исходный начальный диаметр частицы d0, заложенный в ГРТТ из-за агломерации dА может возрасти в несколько раз.

В зависимости от вида металлических частиц физическая картина их сгорания во фронте горения может быть различной. Так частицы ПАМа практически не меняют своих размеров при горении, а частицы Мg при горении уменьшаются. В этом случае агломерированные частицы не трудно пересчитать на новый диаметр согласно выгоревшей массе, найденной по Рис.1.Относительная доля неосевших термодинамическому расчету первичного горения.

частиц металла в зависимости от их диаметра, длины зоны горения и давления.

При первичном горении металла в прогретом слое и вблизи горящего торца окис- литель, как правило, расходуется полностью из-за его значительного дефицита, поэтому процесс здесь можно считать равновесным. Осаждение к-фазы на стенку к.с. выявляется решением дифференциальных уравнений движения к-частиц по осям Х и У.

Получены также интегральные выражения для времени движения к-фазы по оси Х

и по оси У в зависимости от скорости к-фазы:

1 0 2 • dUx

?x = — ? ————————————

в ?vг Ux(24•a2 + 4,4•a•Ux + 0,42•Ux2)

1 0 2Uy•dUy

?y = b ? g ? b ? Uy2 (24a2 + 4,4a•Uy + 0,4• U2)

vпред

где Vпред = (?5,54 ? ?b + 18,75•a2 ? 4,33•a)2, Uy = ?Vy,

Принимая, что частицы различных размеров распределены по торцу ГРТТ равновероятно, то для каждого значения dk можно записать его весовую долю, не осевшую на стенку камеры сгорания ?(di) в виде эффективной площади горящего

торца (см. рис. 1):

?(di)=1 - S(di) /S0 = 2/?( Arccos? - ??sin Arccos?),


загрузка...