Мальцев В.М., Мальцев М.И., Кашпоров Л.Я. - Основные характеристики горения (1043377), страница 51

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

Текст из файла (страница 51)

Рис. V.4. Зависимость максимальной температуры пламени от диаметра образца

пороха Н.

Рис. V.5. Зависимость максимальной температуры пламени от давления:

1 — порох Н 2 — нитроклетчатка; 3 — порох К. (Пунктир — расчетная температура для каждого пороха).

> d_пред когда температура пламени не зависит от диаметра образ­ца, т. е. несущественно влияние тепловых потерь на процесс горе­ния пороха (d_пред для баллиститных порохов составляет ≈5,8 мм).

На рис. V.5 приведены экспериментальные зависимости темпе­ратуры пламени от давления. Для баллиститных порохов темпе­ратура пламени непрерывно растет с увеличением давления. При определенном давлении P_пред температура пламени достигает свое­го максимального значения, и последующее увеличение давления не приводит к заметному изменению температуры горения. Мак­симальная температура пламени для пороха Н равна 2340 К, P_пред ≈5 МПа; для нитроклетчатки 2400 К, P_пред ≈5,5 МПа; для пороха К — 3040 К, P_пред ≈5 МПа. Область низких давлений Р <A_пр вследствие сравнительно малой скорости химических реак­ций в зоне дымогазовой смеси и образования значительного коли­чества дыма, не разложившегося до газообразных продуктов, ха­рактеризуется неполным выделением тепла и соответственно низ­кими температурами горения [44].

Изучено также распределение температуры по высоте пламени баллиститного пороха в зависимости от давления [40, 45]. Полный температурный профиль был получен путем экстраполяции кривой

T=f(x) на сравнительно узком температурном участке до темпе­ратуры поверхности, определенной методом светопровода [42]. Как видно из характера изменения температурных кривых по вы­соте пламени (см. рис. V.3), вблизи поверхности пороха существу­ет резкий подъем температуры (первая область). Температура в конце первой зоны изменяется от 1320 К при Р=2,25 МПа до 1420 К при Р=5,55 МПа. Резкий подъем температуры в первой зоне пламени, вблизи поверхности, обусловлен интенсивными ре­акциями разложения конденсированной фазы — дисперсных ча­стиц, что согласуется с результатами по измерению прозрачности по высоте пламени [43].

Во второй области наблюдается незначительный рост темпера­туры пламени. Возможно это связано с тем, что в этой области происходит частичное накопление активных химических центров до определенного предела, выше которого уже в третьей области про­текают экзотермические реакции с большим тепловыделением.

В третьей области наблюдается существенный рост температу­ры. На этом участке в пламени достигается максимальная темпе­ратура и газообразные продукты превращаются в конечные про­дукты сгорания при условии Р>Р_пред.

Повышение давления ведет к изменению характера температур­ного профиля по высоте пламени. Наблюдается уменьшение раз­мера второй зоны, а также увеличение температуры горения в третьей зоне пламени.

Тепловой баланс стационарной одномерной схемы горения мож­но выразить следующим уравнением:

где х — расстояние от поверхности горения; К — коэффициент теплопроводности;  — массовая скорость горения; Ср — удельная теплоемкость при постоянном давлении; д[Т(х)] — скорость тепловыделения за счет химических реакций.

Первый член уравнения (1) представляет собой скорость изме­нения теплоты в единице объема в любой плоскости пламени, обу­словленную теплопроводностью; второй — скорость изменения теп­лоты, обусловленной массовой скоростью продуктов горения; тре­тий — скорость тепловыделения в результате химических реакций. Производные по «х » были определены путем графического диффе­ренцирования экспериментально полученных распределений тем­пературы по высоте пламени. Рассчитав скорость изменения теп­ла, обусловленную теплопроводностью и массовой скоростью про­дуктов горения, вычисляли значение функции q[T(x)] по высоте пламени.

Рассмотрим изменение кривой q[T(x)]—скорость тепловыде­ления химических реакций по высоте пламени пороха Н — при давлении 2,25 и 5,55 МПа (рис. V.6). Как видно, для фиксирован­ного давления функция q[T(x)] достигает своего первого максимума на определенном расстоянии от поверхности пороха, затем уменьшается и вновь возрастает, достигая второго максимума в зо­не максимальной температуры пламени. Первый максимум тепло­выделения при Р=5,55 МПа расположен на расстояний ~0,15 мм от поверхности топлива. Определить значения макси­мальной скорости тепловыделения в зоне первого максимума за­труднительно из-за погрешности при графическом дифференциро­вании небольшого участка экстраполяционной температурной кри­вой. После первого максимума скорость тепловыделения постепен­но уменьшается, затем скорость тепловыделения возрастает и до-

Рис. V.6. Изменение скорости тепловыделения д[Т,(х)] по высоте пламени

пороха Н.

стигает второго максимума в зоне пламени на расстоянии 1,6 ÷ 1,7 мм от поверхности пороха. Рассмотрение изменения кривой тепловыделения q[T(x)] по высоте пламени показало, что сущест­вование первого максимума в зоне у поверхности заряда обуслов­лено интенсивным разложением диспергируемой массы топлива (см. также данные по изменению прозрачности пламен).

У

равнение теплового баланса при горении пороха в конденсиро­ванной фазе можно записать в виде:

Экспериментальные данные по основным параметрам волны горения для пороха Н приведены ниже:

*T_макс— максимальная температура пламени.

Как отмечалось ранее [8, 46—50], влияние светового излучения на процесс горения пороха носит, в основном, тепловой характер и эквивалентно некоторому увеличению начальной температуры по­роха. При этом предполагается, что поглощаемая конденсирован-ной фазой пороха энергия излучения зависит от коэффициента по­глощения вещества.

Для оценки влияния излучения пламени на тепловой баланс го­рения баллиститного пороха было проведено измерение коэффици­ента поглощения баллиститной топливной массы при различной температуре и длине волны. Были сняты спектры поглощения ря­да топлив в спектральном диапазоне 0,4—5 мкм при различных температурах образца. Температура образца изменялась в преде­лах от комнатной до температуры разложения вещества. Исследо­вания проводили на спектрометре ИКС-14. Образец топлива в ви­де танкой пленки (толщина пленки изменялась в пределах 0,05— 1 мм) помещали между двумя стеклами из бромистого калия и закрепляли в кювете. Кювету помещали перед входной щелью спектрометра и нагревали. Температуру нагрева контролировали.

Установлено, что баллиститные топлива имеют спектральные овна прозрачности в интервале 0,4—1,5 мкм (далее следуют линии поглощения); заметного изменения коэффициента поглощения во всем интервале температур нагрева не наблюдается, т. е. оптиче­ские свойства прогретого слоя пороха те же, что и остальной мас­сы образца.

Методом сапфирового светопровода [42] была измерена сум­марная энергия излучения пламени Е в направлении к поверхно­сти горения и поглощательная способность реакционного слоя кон­денсированной фазы а_р.с в диапазоне 0,4—1,8 мкм при различных давлениях.

Из приведенных данных следует, что с ростом давления Q_p.c увеличивается [40]. Подобные результаты измерения тепловых эф­фектов в конденсированной фазе баллиститных порохов при повы­шенных давлениях были получены термопарным методом [33, 51].

Оценка теплового эффекта начальной стадии горения, протекающей в реакционном слое конденсированной фазы, указывает, что в общем балансе тепла, поступающего на нагрев пороха в процес­се горения, доля тепла, выделяющегося в реакционном слое поро­ха, Q_p.c/Q, увеличивается с ростом давления. Увеличение теплово­го эффекта в конденсированной фазе с ростом давления можно объяснить уменьшением процента диспергирования, приводящего к более полному разложению пороха в конденсированной фазе. Кроме того, в реакционном слое в газовых включениях (в пузырь­ках) с ростом давления повышается интенсивность гетерогенно-гомогенных реакций, теплота которых практически полностью рас­ходуется на нагрев конденсированной фазы. Одним из важных выводов, вытекающим из результатов изучения теплового балан­са, является то, что большая часть тепла, идущего на нагревание пороха в процессе горения, приходится на долю теплового эффек­та экзотермических реакций, протекающих в реакционном слое конденсированной фазы.

Эмиссионный спектр пламени

Одной из особенностей процесса горения баллиститных порохов при повышенных давлениях является существование видимого пламени. Поэтому естественно было ожидать, что исследования эмиссионного спектра пламени позволят получить определенную информацию о механизме горения пороха.

Видимая и ультрафиолетовая области спектра. Авторы работы [35] ставили перед собой задачу идентификации спектра излуче­ния в видимой и ультрафиолетовой областях, установления рас­пределения по высоте пламени обнаруженных продуктов, а также по возможности выявления степени их участия в процессе горения. Исследование спектра пламени, образующегося при горении, про­изводилось фотографическим и фотоэлектрическим методами [34].

В результате исследований при горении нитроклетчатки и поро­ха Н в пламени были обнаружены спектральные линии, отнесен­ные к следующим продуктам горения: СО₂ (326,5); СО (324,2); С₂ (404,2); NO(394,9); Н₂ (629,9 и 628,5); О₂ (367,3); •CN (385,5); •ОН (281,1 и 306,5); N₂ (375,5); NH (337,0 им) и т. д.

Существенным при рассмотрении вопроса об излучении пламе­ни является определение начала высвечивания спектральных ли­ний продуктов в пламени по отношению к поверхности образца. На рис. V.7 приведено распределение основных компонентов по высоте пламени нитроклетчатки (I/Iо — отношение интенсивности исследуемой спектральной линии к интенсивности линии ртутного источника с =435,8 нм). На расстоянии 0,5—0,7 мм от поверх­ности горения высвечивает радикал •ОН. В темной зоне на высоте 1,5—2 мм интенсивно высвечивает радикал •CN. Это связано, по-видимому с повышенным .содержанием связанного азота в про­дуктах разложения нитроклетчатки. Появление радикала С₂ на­блюдается вблизи зоны максимальной температуры: Кроме того, по высоте пламени наблюдается уменьшение СО и NO и увеличе­ние СО₂, Н₂, N₂.

Кроме обнаруженных спектральных линий излучения опреде­ленных продуктов горения в спектре пламени имеют место непре­рывные континуумы при 400—600 и 340—450 нм. В работе [52] было показано, что континуум при 400—600 нм связан с реакцией между окисью азота и свободными атомами кислорода: NO+O—>NO₂+hv. Энергия, освобождающаяся в этой реакции, состав­ляет 301,4 кДж/моль (72 ккал/моль). Таким образом, появление

Рис. V.7. Распределение относительной интенсивности спектральных линий про­дуктов горения по высоте пламени нитроклетчатки (12% N₂) (P=3 МПа); ско­рость горения 4 мм/с.

этого континуума в спектре излучения свидетельствует о наличии в пламени атомного кислорода. Второй континуум при 340— 460 нм можно объяснить протеканием реакции СО + О—>СО₃+ +hv, также свидетельствующей о наличии в пламени атомного кислорода.

Инфракрасная область спектра. В работе [53] описаны резуль­таты исследования спектров излучения пламен нитроглицерина, нитроклетчатки и пороха Н иа их основе при 6,7—100 кПа (50— 750 мм рт. ст.). Исследованию спектра излучения пламени нитро­клетчатки в ИК-области при повышенных давлениях посвящена работа [54]. К основным продуктам излучения в спектральной Об­ласти 0,8—9 мкм при горении нитроклетчатки следует отнести Н₂О(1,4 мкм, 1,85 мкм, 2,5 мкм), СО₃(2,8 мкм, 4,37 мкм), СО (2,4 мкм, 4,63 мкм), N₂O (2,26 мкм), NO (5,45 мкм), С—Н(3,35 мкм).

На рис. V.8 представлены результаты по изменению относитель­ной интенсивности основных продуктов горения по высоте нламени нитроклетчатки. Характерным для всех обнаруженных продуктов горения является плавное увеличение относительной интенсив­ности вблизи поверхности горения (0,3—1 мм). Далее по высоте пламени на расстоянии 1—3 мм наблюдается значительное увели­чение интенсивности излучения продуктов горения. Если для H₂О, СО₂, СО характерным является увеличение интенсивности по вы­соте пламени и достижение максимального значения в высокотем­пературной зоне пламени, то для таких продуктов горения, как N₂O, NO, С—Н, свойственно существование максимума интенсив-

Рис. V.8. Распределение относительной интенсивности спектральных линий про­дуктов горения по высоте пламени пороха Н (ИК-область; Р=1,5 МПа; скорость горения 2 мм/с; масштаб ординаты кривой СО₂ уменьшен в 5 раз).

Характеристики

Список файлов книги