Мальцев В.М., Мальцев М.И., Кашпоров Л.Я. - Основные характеристики горения (1043377), страница 48

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

Текст из файла (страница 48)

В конце первой стадии увеличивается протекание гетерогенных реакций, о чем свидетельствует появление очагов яркого свечения

Р ис. IV.7. Зависимость отношения ра­диуса зоны свечения к начальному радиусу частицы алюминиево-магниевого сплава от относительного вре­мени ее горения в:

1. — сплав 30% А1 + 70% Mg, воздух;2— сплав 30% Al+70% Mg, Смесь, 15% О₂+85% Аr; 3 — сплав 50% Al+50% Mg. воз­дух.

на поверхности частицы. Тепло, выделяющееся при гетерогенных реакциях, способствует нагреванию частицы др. температуры плав­ления окисла и началу второй стадии горения.

На второй стадии горения частицу окружает однородная, более яркая зона свечения, которая уменьшается по мере выгорания ме­талла. Однородность и сферичность зоны пламени показывают, что окисная пленка на поверхности частицы расплавлена. Диффузия металла через пленку обеспечивается низким диффузионным сопро­тивлением жидкого окисла. Размер зоны пламени значительно пре­вышает размер частицы, что говорит о горении металла в паровой фазе. Сравнение характера второй стадии горения с известной кар­тиной горения алюминия [6, 14, 36] указывает на большое сходст­во, вероятно, на этой стадии процесса горит алюминий. По мере его выгорания происходит уменьшение размеров пламени, а следова­тельно, и горящей капли. Сгоревшая частица длительное время светится.

Изменение размеров зоны свечения частицы, горящей в соответ­ствии с описанным механизмом, является сложным (рис. IV. 7). После воспламенения величина r_св/r₀ быстро (за ~0,1 мс) дости­гает максимального значения (участок аб). Далее основное время первой стадии горения отношение r_св/r₀ остается постоянным (уча­сток бв). Когда выгорание магния заканчивается, r_св/r₀ уменьша­ется до минимума (точка г), а затем, с началом горения алюми­ния, возрастает (участок гд). Наконец, по мере выгорания алюминия r_св/r₀ монотонно уменьшается (участок де) до конечного зна­чения, соответствующего размеру образовавшегося окисла.

Механизм и параметры процесса горения алюминиево-магниевых сплавов существенно зависят от состава сплава. Со снижением содержания магния в сплаве уменьшается размер зоны свечения во время первой стадии горения и продолжительность этой стадии. При содержании магния в сплаве менее 30% процесс остается двухстадийным, но становится прерывистым. В конце первой ста­дии зона свечения уменьшается до размера самой частицы, процесс горения прекращается, и выгорание алюминия происходит только после повторного воспламенения частицы. Частицы, которые пов­торно не воспламеняются, представляют собой полые пористые окисные оболочки, содержащие внутри капли несгоревшего алюми­ния.

З
ависимость времени горения частиц от их начального диамет­ра выражается следующими эмпирическими формулами:

Г
орение алюминиево-магниевых сплавов в смесях кислорода с аргоном, в водяном паре и в двуокиси углерода. Характер горения частиц алюминиево-магниевых сплавов в кислород-аргонных сме­сях таков же, как и в воздухе. С уменьшением содержания кисло­рода размер зоны свечения во время выгорания магния заметно уменьшается. Зависимость времени горения частиц сплава 50% А1+50% Mg от размеров частиц и содержания кислорода в смеси VO₂ в объемных процентах выражается формулой:

Горение сплавов в водяном паре существенно отличается (рис. IV. 8). Образующаяся во время первой стадии окисная плен­ка разрушается водородом и частица приобретает вид коралла. Оставшийся в коралле алюминий воспламеняется только спустя 1-10 мс после окончания первой стадии. Такая прерывистость про­цесса характерна для сплавов любого состава.

При горении алюминиево-магниевых сплавов в двуокиси угле­рода из частицы выгорает только магний, после чего процесс горе­ния прекращается.

Горение алюминиево-магниевых сплавов в высокотемператур­ном пламени. Для исследования процесса горения металлических частиц при высоких температурах под частицей, насаженной на острие иглы, сжигалась прессованная таблетка из смесей перхлор­ата аммония и уротропина, имеющих расчетные температуры горе­ния 2500, 2700 и 3100 К. Горение частиц алюминиево-магниевых сплавов в этих условиях происходит, как правило, со взрывом. На­личие взрыва характерно для частиц всех составов. В результате взрыва образуется значительная по размерам зона свечения, что

Рис. IV.8. Горение частиц алюминиево-магниевого сплава (50:50)

сферической (а) и неправильной (б) форм в среде водяного пара при

атмосферном давлении:

1 — исходная частица; 2 — частица перед воспламенением; 3 — выгорание маг­ния; 4 — выгорание алюминия; 5 — коралл, образующийся после сгорания частицы.

является признаком преобладания парофазного горения. Фотографии горящей частицы в начале горения (рис. IV. 9 а) показывают, что на всей поверхности окисной оболочки протекают гетерогенные. реакции. За счет тепла гетерогенных реакций происходит бурное испарение металла (рис. IV. 9б), способствующее разрыву окисной оболочки и разбрызгиванию неиспарившейся капли (рис. IV. 9 в). По мнению автора работы [75], дробление частиц алюминиев, магниевых сплавов вызывается очень большой разностью температур кипения магния и алюминия, вследствие чего кипение магния

Рис. IV.9. Горение частицы сплава 95% А1 с 5% Mg в окислительном пламени (температура 2700 К):

а — начальная стадия горения; б — стационарное горение; в — дробле­ние.

при нахождении частицы в зоне высоких температур носит взрывной характер и приводит к дроблению оставшегося алюминия. Температура 2500 К уже достаточна для возникновения взрывного горения, что вполне естественно, поскольку эта температура превы­шает температуру кипения обоих компонентов.

3. Горение частиц металлического горючего в пламени конденсированных систем

Благодаря большой теплоте сгорания металлическое горюче: является важной составляющей конденсированных смесей. Это вызывает повышенный интерес к изучению поведения металла в пламени горящих конденсированных систем. Изучение окисления и горения металлических частиц позволяет установить кинетику окисления металла, температуру воспламенения, время задержки воспламенения, время горения, особенности процесса горения металла, параметры конденсации металлического окисла. Знание характеристик горения металла дает возможность оценить их влияние на параметры горения металлизированных систем, т. е. на эффектив­ность использования металлического горючего. Кроме того, рас­смотрение детального механизма горения металла позволяет наме­тить пути улучшения свойств металлического горючего.

Горение ряда металлов в пламени конденсированных смесей изучено довольно широко. Гораздо меньше изучено горение спла­вов. Между тем, сплавы как металлическое горючее имеют сущест­венные достоинства и применяются все шире. Наиболее интересны­ми сплавами являются двойные сплавы алюминия с магнием. Алю­миний является высокотеплотворным металлом, магний при доста­точно большой теплоте сгорания обладает проницаемой окисной пленкой и высокой летучестью, что должно интенсифицировать го­рение недостаточно активно горящего алюминия.

Для исследования горения частиц алюминиево-магниевых спла­вов в пламени конденсированной смеси готовили образцы стехиометрической смеси перхлората аммония и уротропина. Смесь прес­совали в виде таблеток квадратного сечения шириной 7 мм и вы­сотой 12 мм. По оси образца через равные интервалы закладывали одиночные сферические частицы сплава диаметром 125 мкм. Бро­нированные образцы сжигали в атмосфере азота в бомбе при дав­лении 2 и 4 МПа. Горение фиксировали фоторегистром и кинока­мерой «Конвас». Свечение пламени ослабляли светофильтром, при этом следы ярко горящих металлических частиц хорошо просмат­ривались на фоне продуктов сгорания. Момент воспламенения ме­таллических частиц определяли по появлению светящегося следа. Зная момент воспламенения и определив скорость полета частиц (на больших скоростях фоторегистра), оценивали время задержки воспламенения, а по ширине и характеру треков выносили сужде­ние о механизме горения металла.

На рис. IV. 10 приведены фотографии, показывающие типичные треки горящих частиц. Фотографии а и б получены киносъемкой со скоростью 40 кадров в секунду и показывают воспламенение отдельной металлической частицы вдали от поверхности (а) и на поверхности горящего образца (б). Фотографии виг получены на фоторегистре и показывают последовательное воспламенение нескольких частиц, помещенных в образец через определенные интервалы. (Менее яркие треки принадлежат частичкам солей нат­рия, вводимым в модельную смесь для спектрального определения температуры). На этих фотографиях также можно видеть воспла­менение металлических частиц при удалении от поверхности; (в) и на самой поверхности (г). Снимки а и в относятся к горению спла­ва 65% Al+35% Mg, а снимки б и г — к сплаву 40% Al+60% Mg.

На рис. IV. 11 приведена зависимость времени задержки вос­пламенения от химического состава частиц (каждая точка получе­на как среднее обмеров треков 10—12 частиц, помещаемых в об­разец). Воспламенение частиц с относительно малым содержанием магния происходит на значительном расстоянии от поверхности горения. С увеличением содержания магния время задержки воспла­менения частиц быстро уменьшается, и частицы, содержащие 60— 70% магния, воспламеняются непосредственно на поверхности. Воспламеняемость частиц с большим содержанием магния несколь­ко ухудшается. Сравнение результатов, полученных при помощи фоторегистра и киносъемкой, показывает хорошее совпадение. Средние значения периода индукции, определенные киносъемкой, выше, что объясняется наличием межкадровых промежутков.

Характеристики

Список файлов книги