Сухов А.В. - Порошкообразные металлические горючие, страница 2

Второй способ получения рабочей среды заключается в сжигании различных пар жидких или газообразных компонентов в горелке или твердых топлив в виде таблеток. В последнем случае используемые металлические частицы включаются в состав таблетки в определенных концентрациях.

Авторы работ [106,107] получали газовый поток продуктов сгорания пропан-киолород-азотных смесей и исследовали в них процессы воспламенения и горения одиночных частиц алюминия. В работе [22] были использованы кислород-водородные горелки, в [26] — горелки на водороде с воздухом или кислородом. Подача в реакционную камеру исследуемых частиц осуществлялась преимущественно несущим газом, что приводило к определенному искажению полей температур, концентраций и скоростей газового потока.

Горение металлических частиц в факеле пламени твердых топлив исследовалось в работах [4, 5, 104,16] и т.д. При этом высокотемпературный газовый поток создавался сжиганием таблеток (30...40 мм), спрессованных из двухкомпонентных порошкообразных смесей полиэтилена (С₂Н₄), полиметилметакрилата (С₅Н₈О₂) или полиформальдегида (СН₂О) с перхлоратом аммония (NH₄ClО₄). Алюминий в виде порошка сферической формы запрессовывался в таблетку. Достоинство рассмотренного метода — широкая возможность получения высокотемпературных сред до 3300 К и выше, недостаток — ограниченность варьирования химическим составом среды и агломерация частиц металла на поверхности заряда. Другой существенный недостаток данного метода исследования характеристик воспламенения и горения совокупности частиц металла — неоднозначность влияния давления на скорость горения ввиду того, что давление оказывает большое влияние на процесс диспергирования частиц металла с горящего торца заряда твердого топлива. Иначе говоря, изменение давления влияет не только на скорость горения частиц металла, но и на их размеры. По той же причине крайне сложно исследовать данным методом влияние исходных размеров частиц (d₀) на время их горения; весьма трудно также контролировать равномерность концентрации частиц металла в окислительной среде.

Несколько отличный метод исследования предложен в работе [40]. В пламя горящего образца модельного топлива через его внутренний канал с помощью поршневой системы выбрасывается исследуемый порошок металла. В качестве модельного топлива используется смесь перхлората аммония и полиизобутилена. Заряды представляют собой цилиндры с наружным диаметром 22 мм и внутренним каналом 8 мм. Момент воспламенения фиксируется фотоэлементами, установленными по высоте пламени и соединенными со шлейфовым осциллографом. Время полета частиц до попадания в пламя измеряется до эксперимента. Недостатки данного метода исследования те же, что и у вышеописанных, за исключением того, что в данном случае исключено влияние на результаты эксперимента процесса диспергирования частиц металла.

В работе [133] высокотемпературная среда создавалась с помощью ударной трубы длиной 7,3 м и внутренним диаметром 100 мм. Навеска образца массой 2 г помещалась у закрытого торца трубы, толщина слоя порошка составляла около 1 мм. Частицы имели форму, близкую к сферической, и диаметр d₀  50 мкм. При прохождении ударной волны в связи с гидродинамической неустойчивостью происходил подъем слоя. Скорость и давление детонации определялись с помощью пьезодатчиков. Для измерения температуры использовался двухцветовой метод с применением фотоэлектронного умножителя (ФЗУ). Количественно процесс горения оценивался путем определения степени выгорания металла, рассчитанное по содержанию окиси алюминия в пробе, отобранной cpaзy же после эксперимента на рабочего участка (камеры сгорания). Недостатком данного метода является сложность варьирования составом и давлением среды независимо от ее температуры.

Наибольший интерес представляет метод исследования, применявшийся в работах [2 и 69]. Суть метода сводится к следующему. Имеется замкнутый объем, в который вводится порошок металла заданной концентрации. Порошок воспламеняется с помощью нихромовой проволоки, нагреваемой электрическим током, или от искрового разряда.

Применение установок подобного типа позволяет в широких пределах и независимо варьировать составом и давлением среды, исследовать влияние концентрации и начального размера частиц на основные характеристики процесса, а также при определенных конструктивных дополнениях исследовать влияние температуры среды на параметры процесса. В отличие от вышеразобранных методов, каждый из параметров: давление, температура, состав среды, концентрация и размер частиц металла — могут быть изменены в широких пределах независимо друг от друга, что является существенным достоинством установок подобного типа. В таких установках можно также исследовать процесс горения совокупности частиц металла в водяном паре. Окислительную среду, содержащую водяной пар, наиболее просто можно создать или повышением температуры рабочего участка с помощью эдектронагрева и испарением вследствие этого предварительно помещенной в рабочий участок воды, или же подачей в рабочий участок смеси кислород-водород и поджиганием ее.

К недостаткам установок подобного типа можно отнести неравномерность концентраций металлических частиц, как по высоте, так и в поперечном сечении рабочего участка, а также трудность повышения температуры окислительной среды свыше 1000 К. Первый из перечисленных недостатков в настоящее время присущ всем методам, которыми исследуется горение совокупности взвешенных частиц металла, и, по всей вероятности, его будет чрезвычайно трудно устранить полностью, хотя частично решить эту задачу можно, применяя соответствующую конструкцию питателя ПМГ.

Третий способ получения рабочей среды заключается в подогреве газового потока А_r с помощью электрической дуги [26]. В аргон, температура которого на выходе плазматрона достигает 4000...6000К, примешивается окислитель или смесь окислителя с азотом. Подача частиц ПМГ осуществляется несущим газом. Недостатком третьего способа следует считать неустойчивость электрической дуги, малую надежность работы установки, трудность проведения эксперимента при высоких давлениях, а также существенную неоднородность полей температур, концентраций, скоростей и т.д.

С целью проведения эксперимента при высоких давлениях применяются в основном бомбы замкнутые [22.I02], либо полузамкнутые [4, 5, 76], в которых сжигаются металлические частицы, ленты и др. При этом используется среда с электронагревом или образцы твердого топлива с примесью металлических частиц, а также горелки, помещаемые в бомбу, заполненную инертным газом под давлением. Все рабочие участки экспериментальных установок имеют окна для визуального наблюдения и фотографирования процессов воспламенения и горения металлов.

Для подачи частиц в реакционную камеру в процессе исследования пользуются различными методами. Механизм подачи частиц должен обеспечить:

1. ввод одиночных (не слипшихся) частиц;

2. исключение химических реакций до контакта частицы со средой;

3. минимальные изменения химического состава и поля температур среды.

В работе [92] частицы вводились в рабочий участок сверху по вертикальной трубке шнековым питателем о непрерывной транспортировкой порошка или питателем барабанного типа, обеспечивающим механическую подачу частиц отдельными порциями. В работе [13] применялся дисковый питатель: порошок подавался на вращающийся диск и через щель в кожухе вбрасывался в экспериментальную камеру. Недостатком этих способов является возможность слипания частиц и подача их в виде конгломератов. Эксперимент проводился только при атмосферном давлении.

Авторы [101,102] пользовались вибрационным питателем, основным элементом которого является мембрана. При ударе по ней молоточка или сердечника электромагнита образуется облако плавающих в воздухе частиц, которые по тонкой трубке выносятся газом в зону реакции.

Такими же принципами подачи частиц пользовались в работах [27,106,107]. Недостатком этого способа, как уже указывалось, является изменение нолей концентраций, температур и скоростей, вносимое несущим газом.

Измерение и регистрация параметров окислительной среды, а также характеристик процессов воспламенения и горения частиц металлов осуществляется, как правило, традиционными методами. Так, температура среды в большинстве случаев измеряется с помощью термопар. Бесконтактные методы (оптические пирометры, спектрсметры и т.п.) применяются в основном для измерения температуры зоны пламени [77, 78, 106]. Помимо этого, в работе [77] для измерения температуры среды использовался метод обращения спектральных линий. В некоторых исследованиях вообще не производилось непосредственного измерения температуры, ее значение вместе с составом рабочей среды определялось из термодинамического расчета [106].

В связи с отсутствием динамической составляющей давление измеряют в основном манометром.

Скорость газа определяют расчетным путем. Исследователя [78] предлагают измерять скорость потока с помощью «меток» — облачков плазмы, создаваемых высокочастотным искровым зарядом. «Метки» фиксируются на фотопленку с отметками времени.

Состав рабочей среды обычно определяют термодинамическим расчетом и варьируют путем изменения расхода тех или иных компонентов. В шашках из твердого топлива состав среды варьировали, меняя содержание компонентов в исходной смеси твердого топлива [4, 78].

Количественные характеристики процессов воспламенения (r_u) и горения (r_г) получают путем непосредственного фотографирования и киносъемки горящей частицы. Наиболее простым и надежным способом исследования этих характеристик является разработанный в Одесском государственном университете метод треков, который в том или ином виде использован в работах [21, 26, 101, 102, 106] и др. Этот метод основан на непосредственном фотографировании на неподвижную (или подвижную) пленку горящей частицы. Зная скорость потока и длину участка, на котором происходило горение частицы, определяют время ее горения в предположении равенства скоростей частицы и газа. Однако данные многих работ, в частности [62, 116], показывают наличие относительной скорости частицы в газовом потоке, которая особенно велика для частиц d  70 мкм.

Позднее истинную скорость частиц стали определять путем использования скоростной киносъемки, либо с помощью равномерно вращающегося диска-обтюратора, устанавливаемого перед объективом фотоаппарата. Время горения в этом случае определяется непосредственным отсчетом от момента начала свечения частицы до ее погасания при анализе проявленной пленки. Анализ фото- и кинопленки дозволяет делать определенные качественные заключения по механизму процессов воспламенения и горения частиц ПМГ.

Время t_u индукции (задержки) воспламенения в большинстве работ также определяют из предположения равенства скоростей частиц и потока в момент воспламенения, что, как уже отмечалось, три определенных условиях может привести к большим погрешностям. Расчет поправки же для учета относительной скорости движения частиц производится по весьма упрощенным методикам [106].

Размер вводимых в зону реакции частиц обычно не определяют, так как в опытах используются узкие фракции частиц, полученные путем рассева или каким-либо другим способом.

Более совершенным является способ совмещения интегральных кривых распределения частиц по размерам с длиной треков (время горения) [13, 93]. Состав фракционированного порошка (распределение по размерам) определяется обычно путем измерения и подсчета частиц в выборках с помощью микроскопа.

Другим, более совершенным, способом определена времени горения является фотоэлектрическая регистрация [13]. Этот метод заключается в том, что световой сигнал с воспламеняющейся частицы воспринимается фотоэлементом и после усиления воспроизводится на экране осциллографа с отметками времени. Экран можно фотографировать или регистрировать скоростной киносъемкой.

Следует упомянуть еще о способе определения так называемой предельной, или критической, температуры Т_в воспламенения частиц. Этот способ заключается в установлении минимальной температуры среды, при которой происходит воспламенение частиц. Трудность заключается в осуществлении сколь угодно длительного контакта частицы со средой, имеющей постоянные параметры.

Критические условия воспламенения частиц были исследованы в работах [27, 101, 102 и 106]. В последней из них определены, кроме того, условия «взрыва» (дробления) частиц в процессе горения.

Фотографирование является основным методом изучения механизма воспламенения и горения металлических частиц. Однако наиболее полную информацию можно получить при использовании спектральных методов исследования. Спектроскопия является единственным методом, позволяющим наиболее полно изучить кинетику и механизм реакции, не нарушая и не прерывая ее, что особенно ценно, когда в зоне пламени существуют (возникают и исчезают) промежуточные продукты. Спектроскопические исследования [76], например, показали существование сплошного спектра по высоте пламени при давлениях 1...15 МПа, что доказывает присутствие конденсированной фазы в зоне пламени. На фоне сплошного спектра выделяются полосы AlO, AlH, MgO и линии Al и Mg. Появление интенсивных полос AlO в спектре излучения объяснено тем, что сгорание в факеле пламени протекает через промежуточные продукты с образованием низших окислов.

В работе [9] на основании исследования спектров пламени сделан вывод о горении Al и Mg в паровой фазе. Спектрометрические методы исследования применяют и другие исследователи [66].

Исследование процесса воспламенения и горения металлов требует проведения химического анализа продуктов сгорания и окислительной среды. Надежность результатов анализа определяется, прежде всего, представительностью отбора проб газовой и конденсированной фазы.

В трековых установках, предназначенных для работы при атмосферном давлении, продукты сгорания металлов обычно собирают со стенок рабочего участка.

При исследовании горения заряда твердого топлива за срезом сопла двигателя устанавливают специальную ловушку с подачей гелия, либо аргона для замораживания пробы.