Мальцев В.М., Мальцев М.И., Кашпоров Л.Я. - Основные характеристики горения (1043377), страница 49

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

Текст из файла (страница 49)

Рис. IV.10. Фотографии горя­щих частиц (Р=2 МПа, dм =

= 125 мкм):

а, б — киносъемка, время экспози­ции 20 мс; в, г —фоторегистрация.

Ширина треков горящих частиц в 3—5 раз превышает размер частиц. Границы треков несколько размыты. Характер треков го­ворит о том, что для большинства сплавов преобладает горение в паровой фазе. С ростом содержания магния в частице ширина тре­ков увеличивается, т. е. увеличивается доля парофазных реакций или скорость их протекания и, следовательно, уменьшается время сгорания частиц. Время сгорания частиц может быть уменьшено и за счет взрывного горения, т. е. дробления частиц во время горе­ния.

Доля частиц, подверженных «взрывному» горению, растет с увеличением содержания магния в сплаве (рис. IV. 12), приближа­ясь к единице, когда в сплаве содержится 55—65% магния, и снова уменьшаясь в области сплавов, очень богатых магнием. Кривая на рис. IV. 12, отражающая характер горения, хорошо согласуется с кривой на рис. IV. 11 отражающей характер воспламенения метал­лической частицы.

Похожая зависимость температуры воспламенения от химичес­кого состава для алюминиево-магниевых сплавов получена в рабо­те [42]. В работах [76, 77] отмечается, что скорость окисления не­которых алюминиево-магниевых сплавов и их воспламеняемость выше, чем у магния.

Полученные зависимости хорошо объясняются некоторыми фи­зико-химическими свойствами алюминия и магния. Как известно,

Рис. IV.11. Зависимость времени задержки воспламенения _в от состава частиц

(P=2 МПа, dм=125 мкм): 1— киносъемка; 2 —фоторегистрация.

Рис. IV.12. Зависимость доли n частиц, подверженных «взрывному» горению, от

состава частиц (Р=2 МПа).

алюминий имеет плотную, непроницаемую окисную пленку, затруд­няющую окисление металлической частицы даже при весьма ма­лых толщинах пленки. Влияние магния на окисную пленку усили­вается тем, что содержание магния в окисной пленке превышает среднее содержание магния в частице [61, 78].

Летучесть магния значительно превосходит летучесть алюминия; так, при 1300 К упругость паров магния почти на 6 порядков выше, чем упругость паров алюминия: 4,00*10⁴ и 6,27*10^-2 Па соответст­венно [79]. Поэтому с увеличением содержания магния в частице происходит быстрое увеличение суммарной летучести и соответст­вующее ускорение течения химических реакций. Ослабление окис­ной пленки и увеличение летучести сплава вместе с повышенной реакционной способностью магния приводят к тому, что с ростом содержания магния увеличивается скорость горения частиц.

С увеличением содержания магния свыше 70% горение частиц несколько замедляется. По-видимому, это обусловлено повышением температуры плавления сплава. Как следует из диаграммы состоя ния, приведенной в работе [80], при увеличении содержания Mg сверх 70% начинается значительное повышение температуры (тем­пературного интервала) плавления сплава. Это должно задержи­вать воспламенение и горение частицы, так как при плавлении ме­талла внутри окисной оболочки происходит заметное увеличение объема металла: для алюминия на 6,4%, а для магния на 4,2% [79] и возникают усилия, способные вызвать разрушения окисной оболочки, т. е. облегчающие протекание химических реакций. В ре­зультате более позднего плавления частицы, а также продолжаю­щегося снижения теплоты сгорания, воспламенение и горение ча­стиц с очень высоким содержанием магния несколько замедляются. Таким образом, можно сделать следующие выводы о горении алюминиево-магниевых сплавов. 1. Горение частиц алюминиево-магниевых сплавов протекает в две стадии, на первой из которых выгорает в основном магний, а на второй — алюминий. При содер­жании в сплаве магния не менее 30% процесс горения не прерыва­ется, а при меньшем — возникает разрыв между стадиями. 2, Го­рение магния и алюминия происходит в основном в паровой фазе. При горении магния твердая окисная оболочка на частице является неплотной, и магний диффундирует через нее, что приводит к об­разованию неоднородного пламени, состоящего из отдельных фа­келов; размер светящейся зоны в течение этой стадии не изменяет­ся. При горении алюминия пленка окисла находится в жидком со­стоянии и пламя является сферическим и однородным; размер зо­ны горения уменьшается по мере выгорания частицы. 3. При повы­шении содержания магния в сплаве увеличивается размер зоны горения и продолжительность первой стадии процесса горения. 4. При повышении температуры окружающей среды горение частиц всех алюминиево-магниевых сплавов при атмосферном давлении сопровождается дроблением частиц. 5. При повышенных давлениях наиболее интенсивно горят сплавы, содержащие 30—45% алюми­ния и 55—70% магния.

ГЛАВА 5 ГОРЕНИЕ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СИСТЕМ

§ 1. ГОРЕНИЕ БАЛЛИСТИТНОГО ПОРОХА

Впервые на связь скорости распространения пламени с кинети­кой химической реакции было указано в работе Льюиса и Эльбе [1]. В 1938 г. Я. Б. Зельдович и Д. А. Франк-Каменецкий разрабо­тали общую теорию горения газовых систем, связав скорость рас­пространения горения со скоростью химических реакций при тем­пературе горения [2].

В выполненной А. Ф. Беляевым экспериментальной работе по исследованию горения летучих взрывчатых веществ впервые было установлено, что вещество вначале нагревается до температуры ки­пения, затем испаряется; основная химическая реакция протекает в узкой зоне над поверхностью вещества [3]. Механизм горения взрывчатых веществ А. Ф. Беляева в дальнейшем математически описал Я. Б. Зельдович, использовав теорию распространения пла­мени в газах. Поскольку основной компонент пороха (нитро­клетчатка) нелетуч, Я. Б. Зельдовичем при распространении тео­рии горения на горение баллиститного пороха была выдвинута ги­потеза о газификации пороха. Под газификацией понималось эн­дотермическое превращение пороха в газообразные продукты, реа­гирующие затем между собой с выделением тепла.

Теория построена на следующих предположениях о физических процессах и механизме химических реакций, протекающих при го­рении пороха: температура перехода твердое тело — газ считается постоянной; коэффициенты диффузии и теплопроводности газа одинаковы; скорость химической реакции подчиняется аррениусовскому закону с большой энергией активации, так что, в основном, химическое превращение происходит в зоне с максимальной темпе­ратурой горения. Теория Я. Б. Зельдовича описывает связь между скоростью горения, кинетическими характеристиками химической реакции, давлением и начальной температурой. В ней учтены все известные в то время факторы о горении — непрерывный характер химических реакций, роль теплопроводности и т. д.

Теория горения порохов и взрывчатых веществ, разработанная Я. Б. Зельдовичем, сыграла чрезвычайно важное значение. О ее значении можно судить хотя бы потому, что большинство последу­ющих теоретических исследований по горению порохов содержат ее в качестве исходного пункта. Имеющееся несоответствие между теорией стационарного горения и экспериментальными данными следует отнести за счет идеализированной модели горения пороха, не учитывающей всей сложности химических и физических процес­сов, протекающих при горении данной конденсированной системы.

Работы советских ученых-исследователей стимулировали появ­ление большого числа работ в области горения конденсированных систем. (Теорию горения баллиститных порохов разрабатывали также ряд зарубежных исследователей [5—7].)

Большим шагом в развитии исследований по механизму горе­ния баллиститных порохов были работы П. Ф. Похила с сотр. [8—11]. Было показано, что в зависимости от давления можно осуществить практически в изолированном виде основные стадии горения коллоидных порохов: беспламенное, холоднопламенное и двухпламенное. Беспламенное горение является начальной стадией горения, и его устойчивость обусловлена тепловым эффектом сум­марно-экзотермического процесса, протекающего в реакционном слое конденсированной фазы пороха. Физическая и химическая не­однородность пороха обусловливает неодновременное выгорание отдельных точек, являющихся центрами начала реакции разложе­ния. Находясь под давлением, газ, образующийся в отдельных центрах объема реакционного слоя, и является той силой, под дей­ствием которой диспергируется основная масса конденсированного вещества пороха. В этих же работах была определена роль реакци­онного слоя пороха в условиях беспламенного, холоднопламенного И двухпламенного горения и оценен тепловой эффект экзотермиче- ских реакций в нем.

Существен при разработке теории внутренней баллистики пороховых ракет открытый О. И. Лейпунским эффект «раздува-

ния», заключающийся в том, что, начиная с некоторого порогового значения, увеличение скорости потока газов вдоль поверхности об­разца топлива приводит к возрастанию скорости горения. В рабо­те [12] были получены соотношения, связывающие распределение температуры в порохе и скорость горения с теплокинетическими характеристиками процессов в конденсированной фазе и величиной поступающего из газовой фазы теплового потока. В работе [13] проведена изотермическая оценка времени жизни диспергируемых частиц в пламени пироксилина.

Одним из перспективных направлений исследования в послед­нее время явились работы, в которых авторы из всего многообра­зия зон горения выделяют ведущую зону, которая может опреде­лять скорость горения конденсированного вещества. Для этой цели было введено понятие элементарных моделей горения, которые описывают простейшие одностадийные режимы горения конденси­рованных систем и, по существу, рассматривают процессы, проте­кающие в ведущей зоне, изолированно от других процессов [14].

Элементарная модель горения в газовой фазе предполагает пер­воначальную газификацию вещества с последующим горением в газовой фазе [3—4], В работах [15—17] рассматривается безгазовое горение конденсированных систем, когда отсутствуют испаре­ние и химические реакции с образованием газов. Элементарная модель горения в дисперсной фазе предусматривает процесс дис­пергирования в результате газовыделения в конденсированной фазе и рассматривает химическую реакцию, протекающую по законам термического разложения конденсированного вещества в условиях сильного увеличения объема [18]. Случаи, когда скорость горения конденсированных систем определяется неполным превращением вещества в ведущей зоне, рассмотрены в работах [19—21]. Непол­ноту превращения связывают с уносом части реагирующего вещест­ва из ведущей зоны в виде пара (сублимация, испарение) или в диспергированном состоянии. Полагают также, что поверхность горения представляет собой зону резкого изменения плотности ве­щества и дальнейшие превращения реагирующего вещества по зо­нам не влияют на скорость горения.

Модель горения в жидкой фазе [22] предполагает наличие жид­ких (или растворенных) продуктов реакции. Поверхность горения образуется в результате выкипания смеси или отдельных ее компо­нентов.

В связи с тем, что реально процесс горения конденсированных систем представляет собой результат взаимодействия различных элементарных механизмов, в работах [23—25] рассмотрен двухстадийный процесс горения. Показано, что при изменении внешних па­раметров (температура, давление) может происходить смена режи­мов горения.

В исследовании процесса горения конденсированных систем в настоящее время можно выделить два направления. Первое — разработка моделей и постановка модельного эксперимента, пре­следующая в конечном итоге цель описать сложные процессы го­рения. Второе — всестороннее экспериментальное изучение много­стадийного процесса горения конденсированных систем с целью определить такие физико-химические параметры, как структура и температура поверхности, тепловыделение в конденсированной фа­зе, диспергирование, распределение температуры и состава продук­тов по зонам волны горения для конкретной конденсированной сис­темы.

Характеристики

Список файлов книги