Мальцев В.М., Мальцев М.И., Кашпоров Л.Я. - Основные характеристики горения (1043377), страница 52

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

Текст из файла (страница 52)

ности излучения в зонах, близких к поверхности горения. Напри­мер, для N₂O максимум излучения расположен на расстоянии 1,4—1,7 мм от поверхности горения, для NO — на 2,7—3,2 мм, для С—Н — на 3,2—3,7 мм. По мере приближения к зоне максималь­ной температуры интенсивность излучения этих продуктов горе­ния непрерывно уменьшается.

Г
азовые продукты разложения конденсированной фазы, и дис­пергируемые частицы пороха являются основными компонентами несветящейся зоны пламени. Существование темной зоны прежде всего можно объяснить тем, что реакции окиси азота с промежуточными продуктами (СО, H₂ и т. д.) сравнительно медленны и требуют определенного времени — периода индукции. Эти реак­ции также в сильной степени зависят от давления. К одним из воз­можных химических превращений в низкотемпературной зоне можно отнести и реакцию взаимодействия окиси азота с водоро­дом

Существование N₂O на ранних стадиях в пламени пороха обнару­жено авторами работ [53, 54].

В светящейся зоне пламени может происходить догорание СО и Н2 за счет восстановления азота из его окислов:

Следует иметь в виду, что зональное рассмотрение процесса горения имеет несколько условный характер, так как зоны не всегда четко разделимы, а химические реакции в них могут про­текать как последовательно, так и параллельно.

В настоящее время при расчете состава и температуры продук­тов горения порохов на основе нитроглицерина и нитроклетчатки принимают, что все реакции в пламенах порохов протекают с большой скоростью и состав продуктов горения является равно­весным. Такие расчеты согласуются с экспериментальными резуль­татами для горения порохов при высоких давлениях. Однако в ин­тервале давлений 0,1—3,0 МПа состав продуктов и температура пламени порохов сильно отличаются от равновесных расчётных (см. рис. V.5). Результаты экспериментов [55, 56] показывают, что при низких давлениях наблюдается кинетическая неполнота сгора­ния, когда содержание окиси азота в продуктах горения значитель­но (на 6 порядков) превосходит равновесное.

Рассматривая данные работ [56, 57], можно выявить опреде­ленную связь между температурой пламени и количеством окиси азота в продуктах горения баллиститных порохов. В работе [55] сделано предположение, что самым медленным химическим процес­сом в пламени при горении пороха является расходование окиси азота. На основании этого предложена модель образования продук­тов горения баллиститных порохов, где все продукты горения нахо­дятся в термическом равновесии, а химическое равновесие устанав­ливается между всеми продуктами горения за исключением окиси азота. В соответствии с этой моделью 0ыли рассчитаны составы продуктов горения порохов для давлений 0,5; 1,0; 2,0 МПа. Ре­зультаты этих расчетов удовлетворительно согласуются с резуль­татами экспериментов [55].

Исследования картины горения баллиститных порохов указы­вают на многостадийный характер превращения исходного веще­ства в конечные продукты горения: структура горящей поверхно­сти образца неоднородна по яркости и на ней наблюдаются ярко светящиеся включения; в зоне, прилегающей к поверхности го­рения, существует дисперсная фаза; зона выгорания диспергиро­ванных частиц уменьшается с ростом давления; максимальная температура пламени увеличивается с давлением, принимая при 4,0-5,5 МПа значение, близкое к расчетному; существенное отли­чие измеренной температуры пламени от расчетной в области низ­ких давлений, которое определяется недореагированием окиси азо­та до конечных продуктов сгорания; температурный профиль по высоте пламени имеет характерную форму с тремя участками; ско­рость тепловыделения по высоте пламени имеет два максимума: первый максимум скорости тепловыделения расположен вблизи по­верхности горения в зоне выгорания диспергированных частиц, второй — в зоне видимого пламени; количество теплоты, выделя­ющейся в реакционном слое конденсированной фазы пороха за счет суммарно-экзотермических реакций, растет с давлением, со­ставляя ~80—90% тепла, необходимого для нагрева пороха до температуры поверхности.

3. Действие катализаторов на процесс горения

Применение катализаторов в настоящее время является одним из распространенных методов регулирования скорости горения конденсированных систем. Для баллистйтных порохов наиболее ак­тивными катализаторами являются соединения свинца, их смеси с солями меди и сажей, а также оловоорганические соединения [58, 59]. Эти вещества уменьшают влияние давления на скорость горе­ния. Имеется ограниченное число работ, посвященных вопросу ме­ханизма действия каталитических добавок на горение баллистйт­ных порохов [60—62]. В работе [63] объектом исследования яв­лялся баллиститный порох (53,7% нитроцеллюлозы, 39% нитро­глицерина, 7% диэтилфталата, 0,1% сажи с размером частиц 0,01 мкм) (А), в состав которого последовательно вводили 1% PbSa (салицилат Рb) (В), 1% CuSa (салицилат Си) (Б) и одно­временно 1% PbSa и 1% CuSa (Г). Исследовались спектр излуче­ния и температура пламени, структура зон горения.

Исследования спектра излучения продуктов горения состава А без катализатора показали, что на частично непрерывном фоне существуют полосы продуктов горения СО (324,2), С₂ (328,3), N₂ (337,1), N₂(668,8), NH (375,2), Н₂О (663,2; 692,2 нм) и т. д. Кроме указанных полос и линий, на спектрограммах ярко обозна­чены линии излучения примесей в топливе, Na и К. При горений топлива Б кроме обнаруженных спектральных полос, характерных для состава А, наблюдаются линии Cu (314,6 нм), Cu (399,4 нм), CuО (477,1 нм) и интенсивные системы полос с резко выраженны­ми максимумами и минимумами. Наиболее интенсивными систе­мами являются полосы CuН при 368,8—400,0, 400,4—428,0, 428,8— 466,1 и 466, 1 нм.

Эти интенсивные системы полос излучения продуктов каталити­ческих реакций характеризуются большой протяженностью от 20 до 80 нм и строгими колебаниями интенсивности в каждой систе­ме. Характерным является также постепенное убывание интенсивности обнаруженных систем полос излучения в сторону длинновол­новой части спектра.

В продуктах горения состава В кроме спектральных полос, ха­рактерных для состава без катализатора, обнаружены следующие полосы и линии: Рb 363,9; 368,3; 405,7 нм; РbО 424,9; 455,3 нм. Следует отметить, что для баллиститного топлива с добавкой 1% CuSa обнаруживается резкое изменение эмиссионного состава из­лучения, а для спектра излучения топлива с добавкой 1% PbSa — незначительное. В, спектре излучения баллиститного топлива Г на­блюдаются все полосы и линии, свойственные спектру топлив А, Б и В.

Определенный интерес представляет вопрос об активной зоне действия каталитической добавки во фронте горения (конденси­рованная фаза, дымогазовая и газовая зона). Проведенные иссле­дования спектра излучения топлив с катализаторами показали су­ществование интенсивных полос продуктов каталитических реак­ций в определенных спектральных областях. В этих спектральных областях были проведены исследования распределения продуктов каталитических реакций по высоте пламени. По результатам об­работки спектрограмм было обнаружено, что начало высвечивания продукта каталитической реакции CuH при P=1 МПа наблюда­ется на расстоянии 5,3 мм, а при Р=2 МПа — на расстоянии -1,5 мм от поверхности горения. Рассмотренные выше спектральные закономерности продуктов горения составов с добавками катали­заторов позволили выбрать спектральные области, в которых от­сутствуют интенсивные линии излучения продуктов каталитических реакций, для измерения температуры пламени.

Измерения температуры пламени в интервале 1300—3000 К проводили в трех спектральных областях: Δ₁ = 510÷530 нм; Δ₂ =620÷640 нм; Δ₃ =740÷760 нм. Экспериментальные резуль­таты измерения максимальной температуры пламени в зависимо­сти от давления представлены на рис. V.9. Увеличение внешнего давления приводит к росту температуры пламени. При давлении около 4,7 МПа для баллиститного топлива без катализатора тем­пература пламени принимает максимальное значение, равное 2470 К, и не изменяется с ростом давления.

Для состава топлива с катализаторами наблюдается значи­тельный рост температуры пламени в области давления от 1,0 до 3,5 МПа. Если для топлива без катализатора температура пламе­ни при давлении 2 МПа равна 2170 К, то для топлива с 1% CuSa и 1% PbSa (топлива Г) она составляет. 2360 К. Точка М .(точка полноты сгорания) на рис. V.9 сдвигается в область низких дав­лений (3,5 МПа) при введении катализатора.

И сследования зон горения пламени проводили в спектральном интервале 880—920 нм с тем, чтобы исключить излучение продук­тов каталитических реакций. Применяли ИK-светофильтры ,с уз­кой полосой пропускания. На рис. V.10 приведены фотоснимки процесса горения топлив А и Г при разных давлениях. На поверхности горения топлива отчетливо наблюдается накопление ярко светящихся частиц углерода, интенсивность которых меняется в те­чение эксперимента и зависит от концентрации частиц на поверх­ности Для топлива без катализатора характерным является существование промежуточной несветящейся зоны между поверхностью го­рения и зоной максимальной темпе­ратуры. При горении топлива с 1 % PbSa и 1 % CuSa интенсивность свечения промежуточной зоны воз­растает.

Проведенное фотографирование горящей поверхности поррхов, полу­ченное в бомбе постоянного давле­ния при повышенных давлениях, указывает на то, что наличие ката­лизирующей добавки существенно изменяет структуру поверхности го­рения.

Введение добавок катализаторов в состав баллиститного топлива в определенном интервале давлений существенно изменяет скорость го­рения. Так, кривые зависимости

Рис. V.9. Зависимость темпера­туры пламени от давления:

1 — топливо А без катализаторов:

2 — топливо Г с добавкой 1 %PbSa и 1% CuSa.

скорости горения от давления составов с катализаторами можно условно разделить на четыре области (рис. V.11). Рассмотрим, ка­кие оптические характеристики свойственны каждой из этих обла­стей изменения скорости горения.

Рис. V.10. Фотографии зон горения пламени топлив А (а) и Г (б) при различном

давлении:

/ — Р=2 МПа; 2 — 3 МПа.

Первая область (0,1—1 МПа) (незначительное увеличение ско­рости горения для обоих катализаторов) характеризуется слабым излучением пламени, значительными размерами зон горения.

Вторая область (1—3 МПа) (резкое увеличение относительной скорости горения) характеризуется появлением факела пламени, значительным увеличением температуры и изменением состава про­дуктов горения.

Четвертая область (6—10 МПа) (скорость горения не изменяет своего значения) характеризуется относительным постоянством со­става продуктов горения и температуры пламени.

Т аким образом, катализаторы можно разделить на две груп­пы: к первой группе относят катализаторы (например, CuSa), которые, увеличивая скорость горения, существенно изменяют . спектраль­ные характеристики пламени и тем­пературу сгорания продуктов; ко второй группе относятся катализа­торы (например, PbSa), которые изменяют скорость горения, но не из­меняют спектральные характеристи­ки продуктов горения и температу­ру по высоте пламени.

Обращает на себя внимание тот факт, что интенсивное излучение ос­новных продуктов каталитических реакций СuН и СuО наблюдается вблизи поверхности горения. Су­щественное изменение спектра излучения продуктов горения вблизи поверхности, увеличение темпера­туры в темной зоне пламени свидетельствуют, что катализатор CuSa основное действие (увеличение скорости протекания химиче­ских реакций) оказывает в дымогазовой и газовой зонах пламени.

Отсутствие существенных спектральных и температурных из­менений в продуктах сгорания при введении в топливо катализа­тора PbSa (исключением является появление линии Рb, РbО) мож­но объяснить интенсификацией химических реакций в конденсиро­ванной фазе топлива.

Характеристики

Список файлов книги