ГОРЕНИЕ, ВЗРЫВ ^^^^^^^^^^^^ И УДАРНЫЕ ВОЛНЫ
УДК 662.612
О КОНВЕКТИВНОМ ГОРЕНИИ СМЕСИ АЛЮМИНИЯ С ВОДОЙ © 2014 г. Б. С. Ермолаев*, В. Е. Храповский, В. М. Шмелев
Институт химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук, Москва
*Е-таП: bse@chph.ras.ru Поступила в редакцию 25.06.2013
Изучено горение стехиометрической смеси алюминия (порошок марки ПАП-2) с водой в манометрической бомбе. Показано, что в зависимости от диаметра заряда и давления, создаваемого воспламенителем, возможны три ситуации: смесь не поджигается, смесь сгорает в медленном режиме (послойное горение) либо горит ускоренно с участием конвективного режима горения. Свойства процесса, наблюдаемые в режиме ускоренного горения, в том числе влияние давления, создаваемого при сгорании воспламенителя, длины и начальной плотности заряда, в целом аналогичны свойствам конвективного горения, которые наблюдаются в порошкообразных смесях алюминия с окислителем (ПХА или НА) и описаны в литературе. Отличие состоит в том, что из-за сравнительно низкой активности воды как окислителя конвективное горение смеси алюминия с водой протекает с гораздо меньшими скоростями и возбуждается гораздо труднее.
Ключевые слова: горение алюминия, водород, окись алюминия, конвективное горение.
Б01: 10.7868/80207401X14090040
введение
Горение смесей алюминия с водой представляет интерес в качестве источника генерации водорода [1, 2]. Замороженные смеси находят применение в качестве дешевого и эффективного ракетного топлива [3, 4].
Практические вопросы, которые привлекают интерес исследований: приготовление смеси высокой плотности (используют резонансно-частотный смеситель, обеспечивающий рост плотности и вязкости смеси вплоть до получения ее пастообразной консистенции), дисперсность частиц алюминия, особенно при использовании наночастиц, условия поджигания, скорость горения. Устойчивое послойное горение пастообразной смеси требует давления не менее 7 МПа, при этом обычно используют достаточно энергичное воспламеняющее устройство. В работах [5, 6] сообщалось о наблюдении режима быстрого конвективного горения стехиометрической смеси алюминия с водой в полузамкнутом объеме при высоком давлении ~500 атм с использованием мощного воспламенителя и при низком давлении ~20 атм при мягком воспламенении образца большого диаметра.
Конвективное горение пористых смесей окислитель/горючее изучалось в ряде работ [7, 8]. Активно рассматривались смеси алюминия с перхлоратом аммония (ПХА) и нитратом аммония (НА), а также пиротехнические смеси [9]. Цель данной работы — исследовать возможность воз-
никновения конвективного горения в смеси алюминий—вода высокой пористости в замкнутом объеме. Объект нашего исследования — смесь воды с чешуйчатым алюминием (порошок марки ПАП-2) в весовом соотношении 50/50, теоретическая максимальная плотность смеси — 1.46 г/см3.
экспериментальная методика
Алюминиевые частицы порошка марки ПАП-2 имеют чешуйчатую форму с тонкой окисной пленкой. Средняя толщина лепестков составляет 1—5 мкм, а средний линейный размер — 20—30 мкм. На поверхности имеется тонкое защитное жировое покрытие. Насыпной вес порошка — 0.15—0.2 г/см3, удельная площадь поверхности ~5 м2/г, содержание активного алюминия ~94%.
Порошок алюминия первоначально смешивался вручную с дистиллированной водой в заданной пропорции в стеклянном сосуде. Затем непосредственно перед опытами смесь загружали в смеситель "ТиЯБиЬА" и проводили перемешивание в течение ~15 мин способом "пьяной бочки" до получения однородной дисперсной массы. Анализ структуры готовой смеси показал, что она состоит из микрокапель воды средним размером 50— 100 мкм, поверхностный слой которых толщиной ~5—10 мкм насыщен чешуйками алюминия.
Готовая смесь в исходном состоянии при весовом соотношении А1/Н20 = 1 : 1 имела плотность
0.29—0.32 г/см3. Фото смеси в бумажном стаканчике дано на рис. 1.
Опыты проводили в стандартной манометрической бомбе номинальным объемом около 100 см3. Смесь засыпали в стаканчики из картона диаметром от 10 до 25 мм и высотой до 90 мм или непосредственно в канал бомбы, имевший диаметр 33 мм. Горение инициировали навеской воспламенителя, который размещали над открытым торцом образца. Давление в бомбе регистрировали с помощью пьезокварцевого датчика марки АУЬ. Варьируя массу и состав воспламенителя (дымный порох марки ДРП в количестве от 0.1 до 1 г и смесь ДРП с порохом марки "Сокол" в количестве до 10 г), изменяли начальное давление, создаваемое в бомбе. Типичное время нарастания давления при сгорании воспламенителя равно 15-30 мс.
Манометрическая бомба — стандартное устройство, применяемое для получения первичных сведений о горении энергетического материала [10]. Диаграмма давление—время в объеме бомбы, регистрируемая в опыте, имеет ряд особенностей, которые позволяют, при выполнении предположений о характере горения, извлечь полезную информацию о поведении и свойствах процесса. Речь, прежде всего, идет о приросте давления в бомбе в результате сгорания образца и о темпе роста давления в бомбе. По приросту давления, зная плотность заряжания (отношение массы образца к объему бомбы), можно оценить силу пороха или, сравнивая с термодинамическим расчетом, оценить полноту сгорания. Конечно, здесь необходимо вводить поправку на потери тепла в стенки бомбы, которая, особенно при большом времени горения образца, достигающем 10 и более секунд, может составлять 20% и более.
Скорость изменения давления, получаемая дифференцированием диаграммы давление—время, пропорциональна скорости газовыделения в объеме бомбы. Если рассматриваемый участок диаграммы относится к той фазе процесса, когда волна конвективного горения распространяется вдоль заряда, то темп роста давления будет тем больше, чем выше скорость волны. Если эта фаза завершилась и выполняется предположение, что весь объем бомбы равномерно заполнен горящими частицами энергетического материала, то по темпу роста давления можно вычислить интенсивность газовыделения в единице объема (в г/см3 • с-1), которая равна произведению массовой скорости послойного горения на площадь поверхности горящих частиц.
Кроме того, диаграмму давление—время можно применить для оценки эффективной скорости горения. Предполагая, что исследуемая смесь горит параллельными слоями перпендикулярно оси заряда и газообразные компоненты продуктов го-
Рис. 1. Фотография смеси алюминия с водой стехио-метрического состава.
рения, имеющие молекулярный вес М и температуру Т, заполняют свободный объем бомбы V, можно получить следующую формулу:
и (г) =
УМ йР
(1)
Бр&ш йг
Здесь йР/Л — первая производная по времени экспериментальной диаграммы, Б — площадь поперечного сечения заряда, р — плотность смеси, Я — газовая постоянная, е — массовый коэффициент выхода газообразных продуктов горения смеси.
Продукты горения стехиометрической смеси алюминия с водой состоят практически полностью из конденсированного оксида алюминия и водорода. Температура горения смеси — 3300 К, выход водорода по массе — всего е = 6/108, однако благодаря низкому молекулярному весу расчетный прирост давления при горении смеси в бомбе при плотности заряжания 0.1 г/см3 и в отсутствие потерь тепла составляет ~76 МПа.
результаты экспериментов 1. Режимы горения
По результатам опытов, в которых варьировали давление, создаваемое воспламенителем, и диаметр заряда, можно выделить три характерные ситуации, представленные соответственно на рис. 2—4.
А. Воспламенитель не поджигает смесь (рис. 2). Давление достигает максимума по завершении горения воспламенителя и затем монотонно спадает, смесь уплотняется (до плотности 0.8—0.95 г/см3 в зависимости от давления, создаваемого воспла-
Р, МПа 10 г
8 -
Р, МПа
0.8 -
0.6 0.4
0.2 0
0.8
Время, с
Рис. 2. Диаграмма давление—время при отсутствии воспламенения смеси. Диаметр образца — 11 мм, высота — 80 мм, пористость — 76%. Давление, создаваемое воспламенителем, равно 8.2 МПа.
10
15 20
Время, с
Рис. 3. Диаграмма давление—время при медленном послойном горении смеси. Диаметр образца — 25 мм, высота — 63 мм, пористость — 79%. Прирост давления от сгорания воспламенителя составляет 0.2 МПа.
6
4
2
0
5
0
менителем), но не горит. Стаканчик после опыта оставался целым, его верхняя часть слегка обгорела, некоторое количество смеси выброшено из стаканчика в объем бомбы.
Б. Смесь поджигается, но горит медленно в послойном режиме (рис. 3). Горение длится более 20 с, темп роста давления в процессе горения ~0.034 МПа/с. После опыта остается пористый каркас из спекшейся массы, заполняющий силь-
Р, МПа
Время, с
Рис. 4. Диаграмма давление—время при ускоренном горении смеси. Диаметр образца — 25 мм, высота — 56 мм, пористость — 68%. Прирост давления от сгорания воспламенителя составляет 1.0 МПа.
но обгоревший стаканчик. Небольшое количество массы выброшено в объем камеры.
В. Смесь поджигается и горит в ускоренном режиме (рис. 4). После срабатывания воспламенителя (точка со значением давления 1.1 МПа) на диаграмме наблюдается неглубокий спад и последующий рост давления с возрастающим темпом до точки F. Затем темп роста давления падает, и давление, пройдя точку максимума М, начинает снижаться. После опыта в бомбе остается каркас из спекшихся частиц высотой от половины до трети высоты исходного заряда, часть твердой массы в виде отдельных частиц и конгломератов выброшена в объем бомбы.
2. Пороговые границы режимов
Границы, которые разделяют область, где заряд не горит, и две области, где реализуются режимы медленного и ускоренного горения, можно изобразить (хотя и достаточно условно из-за ограниченности данных) на плоскости с координатами: давление (создаваемое при сгорании воспламенителя) — диаметр заряда. Эти данные приведены на рис. 5. Левее наклонной линии, уходящей круто вверх при значении диаметра 20 мм и низких давлениях к точке со значением давления 40 МПа при диаметре 11 мм (область 1), смесь не горит. Причиной скорее всего являются низкая активность воды как окислителя и ее высокая теплота испарения. Довольно большие затраты тепла, требуемые для поджигания смеси, приводят
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.