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

Автор: Терещук Валерий Сергеевич

распыла и испарения.

Для подтверждения принятой модели расчета газопроизводительности был проведен расчет шлакообразования. Величина осаждения шлака записывается в виде ?(L) = 1- ?р, и составлено интегральное соотношение для веса шлака:

?шл = GГРТТ ? дА1 ? ?ок /(док??А1)??(L)? dL,

где GГРТТ - начальный вес ГРТТ; дА1 и ?А1 - весовая доля А1 в ГРТТ и его удельный вес; док и ?ок - весовая доля окисла А1 и его удельный вес.

Т.к. ?(L) = f(?р), а ?р - согласно рис.2 можно представить в виде параболы, то и ?(L) = а?L012 + b? L01 + c и найти соответствующие коэффициенты: а, b ,с.

После интегрирования и подстановки всех известных величин получено для центробежного распыла ?шл = 23,9 кг, а для струйного распыла - 10,2 кг, что близко к опытным данным. Формула для ?шл была использована также для нахождения весового распределения шлака по длине камеры сгорания, а следовательно для подсчета толщины слоя шлака. Наибольшая высота шлака получена при центробежном распыле в начале камеры сгорания к моменту полного выгорания ГРТТ и составляет 116 мм и относительная площадь загромождения шлаками в начале камеры сгорания составила 0,512, т.е. загромождение сечения шлаками происходит медленнее, чем падение величины ?р, которую можно рассматривать как эффективную площадь торца.

В главе 3 анализируются особенности отработки натурных газогенераторов водорода. Удаление горящего торца от зоны распыла приводит к потерям в газопроизводительности. Основным практическим способом сохранения постоянного расстояния L01 является прижатие горящей поверхности ГРТТ к опорным элементам. Но, как показали многочисленные эксперименты, у одних составов - местная скорость горения под опорами Uм возрастает в несколько раз, для других Uм почти не отличается от нормальной скорости горения вне опор - Uо.

Были проведены эксперименты с различными опорами и, по предложению автора, с охлаждаемыми опорами при различных удельных усилиях прижатия Nуд = F/Sопоры Выявлено, что охлаждение опор (особенно внутреннее) значительно подавляет эффект врезания (увеличения местной скорости горения под опорой).

Охлаждение опор действовало тем эффективнее, чем меньше теплосодержание в прогретом слое и чем больше Nуд. Автором приведена статистика по эффекту врезания на различных топливах и замечено, что эффект врезания на неохлаждаемых опорах меньше у более прочных топлив и больше у менее прочных, что отражено в таблице 3.

Таблица 3 - Зависимость увеличения скорости горения под опорами от прочности состава.

Марка Т9- БК-2 ПАЛ-16/10 НМФ-2 МК-8в МТ-19

?cж, Мпа 4,5 7,5 19,0 15,4 42,1

n 7 6 3 1,3 1,06

В таблице 3 первые два состава смесевые топлива, НМФ-2 – типичный баллиститный состав, последние два – ГРТТ. Nуд = 1,4 Мпа для всех составов.

n -cтепень увеличения скорости горения под опорами - это отношение местной скорости горения uм под опорами к скорости горения, т.е. вне опоры u0.

Данный эффект с небольшой величиной n необходим и полезен для поддержания постоянной величины зоны горения. Значительная величина n и явная зависимость этой величины от Nуд может служить предпосылкой технического решения для простого способа регулирования скорости горения водородогенерирующего композита.

Не ставя задачу регулирования, а считая на начальном этапе более важным создание постоянной зоны горения при отработке процессов горения ГРТТ с водой, с врезанием решили бороться простыми способами, видя основную причину «врезания» в тепловом воздействии опор на поверхность горения. По нашим начальным представлениям, чем больше теплопроводность опор ?н, тем больше должна быть величина n, но применение теплоизолированных опор в наших экспериментах не привело к снижению величины n.

Медленногорящие топлива ГРТТ, такие как МК-8в, ТГТ-5, П61-04, давали большую величину n (до 2,5 у ТГТ-5), чем быстрогорящие типа МТ-19, всего на несколько %. При тех же условиях у порохов такой зависимости не наблюдалось. Таким образом, тепловая теория не является универсальной и кроме теплового воздействия опоры на горящую поверхность важную роль оказывает прочность состава, что и подтверждают экспериментальные данные таблицы № 3. Изучая влияние прочности состава на величину n, было выяснено, что важны процессы, происходящие в прогретом слое горящего топлива, непосредственно примыкающего к зоне горения. При воздействии опоры с усилием на поверхность горящего торца прежде всего происходит разрушение прогретого слоя. Толщина прогретого слоя в обычных условиях подчиняется уравнению Михельсона –Герца. В случае частичного разрушения прогретый слой становится тоньше на величину слоя разрушения Хм = Х0 - Хр под опорой , где скорость горения uм . Т.к. температура опоры в месте контакта с поверхностью горения и температура поверхности горения под опорой явно выше температуры поверхности горения в нормальном состоянии (Тs) и приближается к температуре близкой к температуре фронта горения Тг. Обозначим ее как Tsм,, тогда преобразованное уравнение Михельсона будет иметь вид:

хм =х0 - хр =( ae/uм)ln [(ТSМ - Т0)/(Т - Т0)].

Уравнение Михельсона-Герца не учитывает зависимость величины температуропроводности ae от температуры и химических реакций в прогретом слое. Аналитически решить задачу с учетом реакций в прогретом слое пока не удалось ни одному специалисту в области горения твердых топлив. Экспериментально эту задачу решил А.А. Зенин для некоторых порохов. Особенно ценны его замеры микротермопарами Тs и Тг для оценочных расчетов правильности наших методик. Сравнивания результаты своих замеров с расчетом по формуле Михельсона, он установил, что экспериментальная толщина прогретого слоя отличается от теоретической в несколько раз. Задаваясь зависимостью ae = f(Т), мы можем приблизиться к реальной толщине прогретого слоя. Решая уравнение теплопроводности с подвижной стенкой и задаваясь рядом значений ae =f (Т), были получены реальные толщины прогретых слоев различных композитов.

Для нахождения глубины разрушения Хр в прогретом слое Х1 используем формулу Н.С. Курнакова, которая представляет зависимость прочности на сжатие от температуры. Для выяснения зависимости величины напряжения, возникающего в прогретом слое по глубине под опорой ?t = ?x от удельной нагрузки от опоры Nуд обратимся к решению классической задачи о распределении напряжений, возникающих в полуограниченном теле под цилиндрическим стержнем радиуса а :

?х = ?t = Nуд[1 – X3\(a2 + x2)1/3].

При анализе этой формулы установлено, что в пределах толщины прогретого слоя Х1 ? 1мм применяемые опоры имеют характерный размер а в несколько раз больший, чем Х1 и поэтому ?х = ?t ? Nуд, вот почему все исследователи процесса горения твердого топлива под опорой не установили сколько-нибудь заметной зависимости uм от формы и размера опор, за исключением влияния эффекта эрозии при значительной протяженности площади контакта на некоторых топливах.

Подставляя в формулу Хм =Хо - Хр найденную величину Хр, находим местную толщину прогрева под опорой Хм. Чтобы найти величину uм необходимо найти температуру на поверхности топлива под опорой Тsм. Как было сказано выше, в первом приближении можно приравнять эту температуру к температуре горения твердого топлива Тг, но расчеты при данном допущении дают завышенное значение местной скорости горения под опорами.

Ранее предполагалось, что чем теплопроводнее опора, тем больше тепла по ней передается к горящему слою. Это положение на практике не подтвердилось. Особенно в случае композитов ГРТТ. По мнению автора, при тепловом контакте двух нагретых тел (опоры и прогретого слоя твердого топлива) необходимо рассматривать контактный теплообмен. При контактировании разнородных материалов теплопроводность места контакта выражается известной зависимостью:

?к=( 2? ?оп ? ?т)/(?оп + ?т),

где ?оп - теплопроводность материала опоры, ?т-теплопроводность композита. При исследовании этой формулы обнаруживается, что независимо от теплопроводности опоры общая теплопроводность лимитируется теплопроводностью топлива. Общее сопротивление всегда будет определяться в основном наибольшим сопротивлением. Вот почему в опытах не замечено существенной разницы в увеличении скорости горения под опорами от материала опор. Кроме того, необходимо учитывать, что с повышением температуры теплопроводность смесевых топлив растет, а металла падает. Поэтому при нахождении Тsм из формулы Ньютона- Рихмана вместо ?к подставляем ?т:

Тsм = Тг - ( ?т\?к)?(дТs\дХ) .

Коэффициент теплопередачи ?к при контактном теплообмене заимствован из работы Ю.П. Шлыкова ( Контактный теплообмен). Решая совместно уравнения теплопроводности и прочности, получаем значение местной скорости горения под опорой uм. Отношение uм/uо = n – это коэффициент увеличения местной скорости горения под опорой по сравнению со скоростью горения вне опоры. Расчитанная величина n по предложенной методике отличается от экспериментальных данных лишь на несколько % для всех известных типов твердых топлив.

В этой же главе приводится анализ результатов испытаний натурных газогенераторов, где в ТГРТ в качестве основного наполнителя использовался только А1 (т.к. он более газопроизводительный, чем Мg). При таком переходе столкнулись с неожиданной проблемой сильных взрывов на стендовых испытаниях. Автору данной работы было поручено разобраться в их причинах. Известны аналогичные явления в металлургии, когда взаимодействовал расплав А1 с водой. При этом происходило, по мнению автора, насыщение А1 водородом до опасных пределов. Этот процесс можно рассматривать как активацию А1 водородом, т.е. получение раствора водорода в А1, композита, который может затем служить как для получения водорода, так и как энергоемкий материал.

Уотермейстер и др. установили, что частицы А1 плавятся на горящей поверхности капли и агломерируют. При большом содержании А1 он может покрывать всю горящую поверхность топлива в виде расплавленного слоя.

Выше (см. табл.1) установлено, что толщина расплавленного слоя и скорость его стекания у А1 в несколько раз больше, чем у Мg. При горизонтальном расположении газогенератора стекание естественно происходит на нижнюю стенку камеры сгорания и такое заполнение может распространяться вплоть до выходного отверстия камеры сгорания.

При взаимодействии металла с водой, особенно при повышенных температурах и давлениях, выделяющийся водород, по мнению автора, обязательно должен взаимодействовать с расплавом А1 до образования неустойчивых гидридов.

С катастрофическими взрывами (подобными в ГГ на А1) металлурги столкнулись в 1957г. в условиях промышленного производства при ускоренном охлаждении расплава А1 при его вливании в резервуар с водой. При этом разрушались здания литейных цехов как от взрыва динамита, и взрыв был слышен на расстоянии 5 км. Для выяснения и предотвращения подобных взрывов были проведены обширные исследования многими лабораториями как у нас, так и за рубежом, но приемлемого толкования причин этого явления не было получено.

Используя данные по растворимости водорода в расплаве А1 в условиях влажного пара, автор данной работы вывел формулу растворимости водорода в жидком А1 при повышенных температурах и давлении:

S=3,52·106?Р? ехр(-13170/Т),см3/100г А1,

где Р – в атм, а Т в К. На рис.5 представлены изотермы растворимости, подсчитанные по этой формуле. Если на эти кривые нанести точки кипения А1 в зависимости от давления и провести Рис.5. Изотермы растворимости водорода в А1 в зависимости от давления. . через них кривую насыщения для А1, то область справа от нее – область возможной растворимости Н2 в жидком А1, а слева – область кипения, где растворимость водорода в А1 вряд ли возможна. Верхняя граница растворимости в основном будет зависеть от скорости растворения водорода в А1, но вряд ли растворимость в жидком А1 может превысить уровень А1Н2, хотя известно соединение А1Н3. До какого предела растет растворимость Н2 в А1 при отсутствии кипения? Логично предположить два случая - или растворенный водород своим давлением разорвет межмолекулярные связи расплава А1, переводя его практически в парообразное состояние (разрывая его на микронные частицы), или, следуя закону перехода количества в качество, можно получить при каком-то предельном растворении новое вещество, которое неустойчиво при данной температуре и давлении, т.е. оно взрывается сразу после своего образования. Известно ли такое соединение А1 с водородом? Известно. Это А1Н, А1Н2. Время жизни таких гидридов, как установили П. Балтаян и О. Неделек, составляет 10-7 сек. (Взрывчатое вещество характеризуется временем жизни < 10-5 сек.). Если нанести на рис.5 на изотермы растворимости результаты горения А1 с дроблением по давлению и температуре для различных диаметров образцов по работе В.А. Чернова и А.В. Сухова, то все экспериментальные точки попадают в область образования гидрида А1: А1Н-А1Н2. Подтверждением образования А1Н служат спектроскопиические данные, приведенные в работе Похила П.Ф. и Фролова Ю.В. при давлении 5-10 атм, когда А1 сжигался в порохе Н, но, к сожалению, этот результат не обсуждался в их работе. Проанализируем этот результат. При горении этого пороха выделяется до 20% паров воды, а диапазон давлений и температур, при котором наблюдались на спектрограмме полосы А1Н, вполне соответст

вует рис. 5. Убедительным подтверждением образования (при горении А1 в парах воды) сначала А1Н, а потом уже окисла А1203 является установленное на опытах весовое содержание А1 в полой оболочке окисла (после горения), равное 1/3 от начального веса А1 (Ч. Дрю, А.Гордон, Р.Кнайп). Ни в одной известной модели горения А1 в парах воды это никак не объясняется. Попробуем объяснить это теоретически, приняв нашу модель горе- ния за основу. Реакцию расплава А1 с парами воды можно представить в виде:

А1+0,5 Н2О=А1Н + 0,5 О,

А1Н = А1 + Н,


загрузка...