книги из ГПНТБ / О механизме агломерации при горении твердых топлив с большим содержанием металлического и органического горючих (препринт)

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»

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)

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

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,

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:

* 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

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

различным горючим (рис. 2) еще трудно. Можно лишь постули­ ровать следующую схему.

В металлизированных композициях рассматриваемого типа металлическое горючее доминирует. Частицы металла контакти­

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

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

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

нее. Агломераты топлив со связующими второго типа (таблица) уже при атмосферном давлении являются «монолитными» оплав­ ленными частицами, состоящими главным образом из Al и его окисла, со сравнительно гладкой поверхностью. Такие агломе­ раты обладают гораздо более высокой прочностью, нежели ле­ пестковые. Повышение давления еще в большей степени спо­ собствует их упрочнению.

C рассмотренных позиций находим объяснение снижению аг­ ломерации при увеличении концентрации окислителя (рис. 3) и

связующего за счет металлического горючего. Это, в первую оче­ редь, уменьшение вероятности и количества контактов между

отдельными частицами, увеличение количества газофазных про­

дуктов (αMrpr), увеличение скорости горения U0.

К числу факторов, способствующих увеличению U0, можно от­ нести также и замену алюминия на его сплав с магнием (рис. 6), а также изменение удельной поверхности ПХА (рис. 4).

В заключение рассмотрим связь дисперсности порошкооб­ разного металла с интенсивностью его агломерации на поверх­ ности горения составов рассмотренного типа. Поскольку объем­

ная концентрация металла равна или превышает концентрацию

(объемную) окислителя, то существенное значение приобретают

7

условия относительной компоновки частиц металла и окислите ля в топливе.

Возможны три предельных варианта взаимного расположе­ ния частиц (рис. 7а, б, в):

Рис. 7. Схема различных вариантов упаковки частиц окислителя (/) и метал­ ла (3) в зависимости от их дисперсности

Ilo первому варианту (рис. 7,а) частицы металла контакти­ руют главным образом между собой. Окислитель вкраплен большими объемами (~ rf3) между ними. Число контактов меж­ ду частицами металла зависит от характера пространственного их расположения, т. е. упаковки. В силу этого взаимодействие и слияние частиц (особенно при Т$>Тпл металла) не затрудне­ ны.

При равенстве дисперсности окислителя и металла (рис.7,6)

частицы металла в условиях идеального перемешивания разъ­ единены частицами окислителя. Число контактов между ними

по сравнению с предыдущим вариантом уменьшено.

И, наконец, последний вариант (в): частицы металла частич­

но или полностью изолированы друг от друга частицами окис­ лителя. Число взаимных контактов между частицами металла

минимально. Носами по себе частицы являются достаточно крупными и любое их взаимодействие (вероятностное столкно­ вение, либо цементация продуктами разложения связующего) приводит к образованию весьма крупных агломератов.

C точки зрения агломерации второй и третий вариант яв­ ляются (при прочих равных условиях) оптимальными. В силу

8