Мальцев В.М., Мальцев М.И., Кашпоров Л.Я. - Основные характеристики горения (1043377), страница 47

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 47)

Рис. IV.2. Зависимость роста окисной пленки Δ на частицах металлов от температуры нагревания о воздухе. (Диаметр частиц 0,2 мм, скорость на­гревания 30 °С/с.)

гетерогенной реакции в интенсивное горение. Термические напря­жения приводят к растрескиванию и частичному разрушению окисной пленки.

2. Горение магния, алюминия и их сплавов в окислительных средах

Для детального изучения процесса воспламенения и горения ме­таллов весьма плодотворным является применение скоростной мик­рофотосъемки. Разработанный нами метод позволил изучить характерные

Рис. IV.3. Схема установки для исследования процесса горения неподвижных частиц металли­ческого горючего в газообраз­ных окислительных средах при атмосферном давления:

1 — кинокамера CKC-IM; 2 — микро­скоп МБС-2; 3 — камера с окисли­тельной средой; 4 — осветительные лампы; 5 — исследуемая частица на подвеске; 6 — элементы токоподвода; 7 — нагревательный элемент.

особенности процесса: последовательность стадий, структу­ру зоны горения и т. д.

Для исследования процесса горения одиночных металлических частиц используется метод скоростной микрофотосъемки горящих частиц (рис. IV.3). Заданная окислительная среда создается продувкой камеры приготовленной газовой смесью. Воспламенение ча­стицы достигается при помощи нагреваемого силитового стержня. Частица размещается непосредственно на поверхности стержня или на острие вольфрамовой иглы; в первом случае имеет место несим­метричный процесс, аналогичный горению частицы нa поверхности конденсированной системы, во втором случае достигается симмет­ричность процесса, аналогично нахождению частицы в потоке газо­образных продуктов разложения конденсированной системы. Тем­пература измеряется малоинерционными термопарами, располо­женными на поверхности частицы и на определенном удалении от нее.

Горение магния

Горение магния в воздухе. Воспламенение частиц магния диа­метром 100—1000 мкм происходит при 920—970 К и носит гетеро­генный характер, т. е. появлению пламени предшествуют окисли-

Рис. IV.4. Горение частицы магния в воздухе при атмосферном давлении:

а - частица до момента ее воспламенения; б — стационарное выгорание магния из частицы; в — нестационарное выгорание магния; г — частица окиси, образовавшаяся после сгорания

тельные реакции на поверхности частицы (рис. IV.4 а). В дальней­шем реакции переходят в газовую фазу. Продолжительность фор­мирования зоны свечения вокруг частицы составляет 0,1—1 мс.

В процессе горения частицу окружает сферическая зона свече­ния, неоднородная и имеющая факельную структуру (рис. IV. 46).

С внешней стороны контуры зоны свечения размыты, это затрудня­ет определение ее размеров. Частицы окиси магния, уносимые из зоны свечения, не превосходят 1 мкм. Свечение самой частицы менее интенсивно, чем свечение зоны реакции.

Длительное время размеры и структура зоны горения не меня­ются. Это свидетельствует о стационарности процесса выгорания магния из частицы. Отношение радиуса зоны свечения r_св к на­чальному радиусу частицы r₀ при атмосферном давлении составля­ет 4,15.

Рис. IV.5. Зависимость времени горения т (а), константы К (б) и пока­зателя степени п (в) от давления при горении частиц магния в воздухе (а и 1) и в двуокиси углерода (2).

На заключительной стадии горения процесс становится нестаци­онарным (рис. IV. 4в). Эта стадия характеризуется постепенным уменьшением зоны свечения до размеров частицы (ее окисной обо­лочки) и усилением неоднородности свечения за счет появления факелов на поверхности частицы. В конце горения размер частицы уменьшается, что обусловлено плавлением окисной оболочки. По­гасшая частица окисла некоторое время продолжает светиться (рис. IV. 4г).

Время стационарного горения частицы магния в воздухе состав­ляет 0,85÷ 0,9 от общего времени горения _г Время нестационарно­го горения равно (0,15=0,10) _г, а время свечения окисной части­цы— (0,15÷ 0,2) _г. Среднее отношение диаметра окисной частицы к начальному диаметру частицы равно 0,75 в случае симметрично­го горения и 1,25, когда частица горит на поверхности нагреватель­ного элемента. Зависимость времени горения от размера частиц выражается эмпирическими формулами: _г =l,0d2o для симметрич­ного горения и _г =2,7 d²₀ для несимметричного горения (_г в с, d₀ в мм).

Повышение давления приводит к появлению пульсации светово­го излучения. Время горения частиц, а также величины К и п в за­висимости r = Kdⁿ₀ уменьшаются (рис.IV. 5).

Горение магния в смесях кислорода с аргоном. Основные осо­бенности процесса горения магниевой частицы в кислород-аргонной смеси те же, что и в воздухе. Размеры зоны свечения зависят от состава смеси: с обогащением смеси кислородом отношение r_св/r₀ растет. При этом также растет и интенсивность свечения ча­стицы.

При высоких содержаниях кислорода становится возможным дробление частиц.

З
ависимость времени горения от размера частиц, содержания кислорода в смеси в случае несимметричного горения выражается эмпирической формулой

где Р — общее давление; Ро₂ —парциальное давление кислорода в МПа.

Для симметричного горения формула имеет подобный вид, но числовой коэффициент уменьшается с ростом содержания кисло­рода.

Горение магния в двуокиси углерода и водяном паре. Тепло­вой эффект реакции взаимодействия магния с двуокисью углерода меньше, чем с кислородом. Из-за этого к моменту Воспламенения магния в двуокиси углерода на поверхности частицы образуется толстая окисная пленка. Кроме того, образующиеся при взаимодей­ствии магния и двуокиси углерода частицы элементарного углеро­да закупоривают отверстия в пленке. Поэтому горение магния в двуокиси углерода носит пульсирующий характер. Пары магния пе­риодически прорывают оболочку, истекают из частицы и сгорают с образованием отдельных факелов. Образующаяся после сгорания рыхлая темно-серая оболочка состоит из смеси окиси магния и уг­лерода со следами карбида магния Mg₂C₃, обнаруживаемого рентгеноструктурным анализом.

Э
мпирические зависимости времени горения магния от размера его частиц при горении в СО₂ и смесях СО₂ с аргоном имеют сле­дующий вид:

При взаимодействии магния с водой наряду с конденсированной окисью или гидроокисью магния образуется газообразный продукт реакции — водород, который может существенно влиять на ха­рактер воспламенения и горения. Переход реакция с поверхности в объем после гетерогенного воспламенения сопровождается разрушением окисной пленки; от поверхности частицы поднимается об­лако хлопьев, которое быстро увеличивается до определенного раз­мера. Отношение диаметра облака к начальному диаметру части­цы составляет 2,0—2,2. После выгорания магния из хлопьев обра­зуется твердый скелет ветвистого строения — «коралл».

Температура воспламенения магния в водяном паре на 100 гра­дусов ниже, чем в воздухе. Зависимость _г —f(d₀) выражается фор­мулами _г = 1,1 d²₀ при несимметричном горении и _г =0,7 d0 при симметричном горении. Скорость горения магния в водяном паре больше, чем в воздухе, но меньше, чем в чистом кислороде.

Горение алюминия

Горение.алюминия в воздухе. В отличие от магния, одиночные частицы алюминия при нагревании в воздухе или водяном паре до 2100 К не воспламеняются. Для поджигания алюминия использовали горящие частицы магния. Последние помещали на поверх­ности нагревательного элемента, а частицы алюминия — на острие иглы на расстояний 10^-4 м над первыми.

Воспламенение частиц алюминия при его поджигании происхо­дит в паровой фазе, причем интенсивность зоны свечения, появля­ющейся вокруг частицы, увеличивается медленно. Стационарное горение характеризуется существованием зоны. свечения, которая не изменяет своих размеров почтя до полного выгорания металла. Отношение размеров зоны свечения и частицы составляет 1,6—1,9. В зоне свечения образуются мелкие капельки окисла, которые при столкновении сливаются.

Остаток после сгорания частицы представляет собой полую обо­лочку, не содержащую внутри металла. Зависимость временя го­рения частицы от ее размера выражается формулой _г =2,75 d^1,4₀ (горение симметричное).

Горение алюминия в водяном паре. Воспламенение алюминия в водяном паре происходят гетерогенно. Выделяющийся при реакции водород способствует разрушению окисной пленки; при этом жид­кая окись (или гидроокись) алюминия разбрызгивается в виде ка­пель диаметром до 10—15 мкм. Такие разрушения окисной оболоч­ки периодически повторяются. Это говорит о том, что значитель­ная доля металла сгорает на поверхности частицы.

В начале горения отношение r_св/r₀ равно 1,6÷1,7. В процессе горения размер частицы уменьшается, а отношение r_св/r₀ растет до 2,0—3,0 Скорость горения алюминиевой частицы в водяном па­ре почтя в 5 раз больше, чем в воздухе.

Горение алюминиево-магниевых сплавов

Горение алюминиево-магниевых сплавов в воздухе. Воспламе­нение частиц алюминиево-магниевых сплавов переменного состава в воздухе, кислород-аргонных смесях, водяном паре и двуокиси уг­лерода протекает, как правило, аналогично воспламенению частиц магния. Началу воспламенения предшествуют окислительные реак­ции, протекающие на поверхности.

Рис. IV.6. Горение частицы сплава 30% А1 + 70% Mg при атмосферном давлении

в смеси, содержащей по объему 15% О₂ и 85% Аr.

1, 2 — выгорание магния; 3—6 — выгорание алюминия.

Горение алюминиево-магниевых сплавов существенно отлича­ется от горения как алюминия, так и магния и сильно зависит от соотношения компонентов в сплаве и от параметров окислительной среды. Важнейшей особенностью горения частиц сплавов является двухстадийность процесса (рис. IV. 6). На первой стадии частица окружена совокупностью факелов, образующих неоднородную зону свечения продуктов реакции. Сравнивая характер и размеры зоны свечения, окружающей частицу сплава во время первой стадии го­рения, с характером и размером светящейся зоны вокруг горящей частицы магния (см. рис. IV. 4), можно заключить, что на этой ста­дии из частицы выгорает в основном магний.

Особенностью первой стадии горения сплава является постоян­ство размеров частицы и зоны пламени. Это означает; что жидкая капля сплава заключена внутри твердой окисной оболочки. В окисной пленке преобладает окись магния [61]. Через дефекты пленки происходит истечение магния, сгорающего в парофазном диффузи­онном пламени.

Характеристики

Список файлов книги