Мальцев В.М., Мальцев М.И., Кашпоров Л.Я. - Основные характеристики горения (1043377), страница 55

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

Текст из файла (страница 55)

Влияние образования жидкого слоя на процесс горения сме­севых топлив рассмотрено в работах [94, 95]. При изучении горе­ния смеси ПХА с парафином и коксом установлено, что скорость горения смесей ПХА с парафином значительно больше, чем смесей ПХА с коксом, который не только не повышает скорость горения, но, напротив, приводит к ее уменьшению. Исследования структуры поверхности потушенных образцов смесевого топлива на основе перхлората аммония и некоторых горючих веществ показали, что при низких давлениях кристаллы окислителя выступают над сред­ним уровнем поверхности горения. Между (кристаллами имеются углубления, в которых находится горючее. По мере увеличения давления выступающие кристаллы перхлората аммония уменьша­ются, а при давлении >3 МПа на месте кристаллов окислителя образуются углубления —кратеры.

Авторы объясняют этот эффект тем, что при давлении меньше 3 МПа перхлорат аммония устойчиво не горит, а при давлениях >3 МПа он способен гореть самостоятельно и в процессе горения исчезает быстрее горючего, что и приводит к появлению крате­ров. Исследование потушенных в процессе горения образцов пока­зало, что в интервале 2—4 МПа на поверхности горения наблюдались многочисленные кратеры диаметром ~150 мкм, окруженные прозрачными выступами, представляющими собой пузыри диамет­ром ~70 мкм. При более высоких давлениях (>5 МПа) поверх­ность горения кристалла перхлората аммония была довольно пло­ской, однако на ней наблюдались многочисленные пузыри, но бо­лее .мелкие, чем при низких давлениях.

Для того чтобы оценить влияние физических свойств горюче­го, окислителя, размера частиц окислителя и давления на струк­туру поверхности горения смесевого топлива, было проведено фо­тографическое исследование поверхности горения топлива в про­цессе горения.

На рис. V.15 приведены фотографии поверхности горения мо­дельной стехиометрической смеси перхлората аммония (ПХА) и полиметилметакрилата (ПММА) для ряда давлений. Видно, что поверхность горения имеет неоднородную структуру. Повышение давления приводит к частичному выравниванию поверхности го­рения. Наблюдаемые на поверхности горения очаги пламени, чис­ло которых увеличивается с повышением давления, по-видимому, обусловлены свечением углеродистых частиц, образующихся при пиролизе топлива. Подтверждением данного предположения явля­ется резкое отличие размеров и интенсивности светящихся очагов пламени у поверхности горения с изменением стехиометрического коэффициента смеси α_ст.

П ри избытке горючего (рис. V.16) на поверхности горения и вблизи нее наблюдаются ярко светящиеся образования продуктов пиролиза. В случае избытка окислителя резко падает интенсив­ность и размер углеродистых образований. На рис. V.17 показаны фотографии зон горения смеси ПХА и ПММА для двух исходных размеров частиц окислителя — 200—250 мкм и 75 мкм и меньше. Уменьшение исходного размера частиц окислителя приводит к бо­лее полному смешению продуктов разложения окислителя и горю­чего как в реакционном слое конденсированной фазы, так и в зо­не пламени в непосредственной близости к поверхности горения,

Рис. V.I5. Поверхность горения смеси ПХА + ПММА (α_ст = 1) при разных давле­ниях (dПХA = 1204-200 мкм):

а — Р=0,5 МПа; 6—1 МПа; в — 3 МПа; г —4 МПа.

Рис. V.16. Поверхность горения смеси ПХА + ПММА при различных α_ст (Р —

= 0,1 МПа).

Рис. V.I7. Зоны горения в пламени смеси ПХА + ПММА (α_ст = 1) при различных

р
азмерах частиц ПХА: а — do=200-r-250 мкм; б — d0<75 мкм.

Рис. V.I8. Поверхности горения смесевых составов с различным горючим.

Р
ис. V.19. Поверхности горения образцов с различными окислителями (P=1 МПа).

что проявляется в значительном уменьшении размеров струй га­зов, оттекающих от поверхности горения топлива.

Рассмотрим вопрос о влиянии физических свойств горючего и окислителя, в частности способности их плавиться или возгоняться, на структуру поверхности горения смесевого топлива. В качестве горючего были выбраны уротропин (возгоняющееся вещество), нафталин (плавится при 353 К, кипит при 491 К) и полиметилмет-акрилат (ПММА). Разложение ПММА (деструкция полимера) начинается при 603 К и протекает эндотермически; максимум ско­рости распада наблюдается при 648 К.

При горении смеси ПХА+уротропин на поверхности смеси, на­блюдаются частицы окислителя (рис. V.18). Факт существования частиц окислителя на поверхности образца можно объяснить тем, что при определенных температурах в волне горения скорость воз­гонки горючего существенно превышает скорость разложения кри­сталлов окислителя; это и приводит к уносу основной массы горю­чего из конденсированной фазы смеси.

При горении, смеси ПХА+нафталин на поверхности имеются отдельные очаги пламени, по-видимому, связанные с частичным хи­мическим взаимодействием продуктов разложения ПХА <и паров нафталина. При горении смеси ПХА+ПММА на поверхности тоже наблюдаются отдельные очаги пламени, но значительно меньшие по размеру, чем в случае ПХА + нафталин. Таким образом, на про­цессы, протекающие на поверхности горения (в конденсированной фазе), существенное влияние оказывают физические свойства горючего,

Для оценки воздействия свойств окислителя на процессы, про­исходящие на поверхности, было проведено исследование структу­ры поверхности горения смесей ПММА с окислителями — перхло­ратами аммония и калия (плавится с разложением при 883 К). На рис. V.19 приведены фотографии поверхности горения указанных модельных смесевых топлив при 1 МПа.

Поверхность горения смеси с перхлоратом калия представляет собой кипящий слой с включениями в виде газовых пузырей. На поверхности горения смеси с перхлоратом аммония не наблюдает­ся ярко выраженного жидкого слоя. Таким образом, если при горе­нии смеси окислитель способен переходить в жидкое состояние, то образующийся жидкий слой будет обволакивать поверхность ча­стичек горючего. Каждая частица горючего в конденсированной фазе в этом случае будет находиться в контакте не с отдельными частицами окислителя, а со слоем расплава, т. е. горение в извест­ной степени переходит в «объем» и тем самым интенсифициру­ются процессы в реакционном и близлежащих слоях, что проявля­ется в увеличении скорости горения.

На рис. V.20 приведены результаты измерений температуры по­верхности горения смесей ПХА+ПММА, полученные оптическим методом [42], для образцов с перхлоратом аммония (ПХА) раз­ного начального размера частиц.

Зависимость температуры поверхности от стехиометрического коэффициента α_ст приведена на рис. V.21. Температура поверхно­сти горения растет с увеличением давления. Уменьшение исходного размера частиц ПХА, а также внесение в состав образца горюче­го (ПММА) приводит к заметному увеличению температуры по­верхности.

Рис. V.20. Зависимость температуры. поверхности горения смеси ПХА + ПММА

(α_ст = l) от давления при разных размерах частиц ПХА: 1 — 350-460 мкм; 2 — 50% 350-450 мкм и 50% 50-65 мкм; 3 — 50—65 мкм.

Ряс. V.21. Зависимость температуры поверхности горения смеси ПХА + ПММА (d пха = 50 ...65 мкм) от а:

1 - αст=0,5...1,5; 2- αст=1.

Подтверждением предположения о влиянии физических свойств горючего на процессы, протекающие в реакционном слое конден­сированной фазы, являются результаты по измерению темпера­туры поверхности горения смесей ПХА+ПММА (α_ст—1) и ПХА+

Р ис. V.22. Зависимость температуры

поверхности горения от давления для

смеси ПХА + уротропин (1) и для

смеси ПХА + ПММА (2).

+уротропин (α_ст=1) (рис. V.22). Температура поверхности смеси ПХА + ПММА оказалась выше температуры поверхности смеси ПХА+уротропин. Объяснением этого факта может служить процесс возгонки горючего — уротропина на ранних стадиях в волне го­рения. Унос горючего из конденсированной фазы смеси приводит к ее обогащению окислителем и соответственно к уменьшению температуры поверхности горения. Поскольку в приведенных экс­периментах наблюдаются определенные зависимости температуры поверхности горения от дисперсности окислителя, от состава смеси и физических свойств горючего, в дальнейшем можно рассматри­вать некоторую усредненную по поверхности «эффективную» тем­пературу как один из параметров волны горения.

Температура и эмиссионный спектр пламени

Аналогично тому, как было проделано для баллиститного по­роха, с помощью фотокиносъемки были исследованы размеры зон горения смесевых топлив. На рис. V.23 приведены данные по из­мерению расстояния от поверхности до зоны максимальной тем-

Р ис. V.23. Зависимость расстояния от поверхности горения смеси до зоны максимальной температуры пламени

от размера частиц ПХА: / — 5O—75 мкм; 2 — 200...250 мкм (d _ПММА= 3 мкм).

пературы пламени (ПХА + ПММА) в случае, когда размеры час­тиц окислителя (ПХА) изменяются в четыре раза. Если при горе­нии состава смесевого топлива с размером частиц окислителя 200—250 мкм расстояние между максимальной температурой пла-

Рис V24. Зависимость температуры пламени смеси ПХА + ПММА (α_ст = 1) от

давления (пунктир — расчетная температура).

Рис V 25 Зависимость температуры пламени от стехиометрического коэффициен­та смеси α_ст (P=6 МПа; пунктир — расчетная температура).

мени и поверхностью горения составляет ~500 мкм, то в случае частиц 50—75 мкм оно равно 250 мкм (Р= 1 МПа).

Для всёх исследуемых смесовых топлив расстояние hмакс на по­рядок меньше, чем у баллиститных порохов. На рис. V.24 приве­дены максимальные температуры пламени ПХА+ПММА (α_ст =1) в зависимости от давления, иамеренные оптическим методом [40].

С увеличением давления температуру пламени (ПХА+ПММА, α_ст =1) растет. Значительный рост температуры пламени наблю­дается при низких давлениях; в интервале 2—3 МПа достигается максимальная температура пламени, равная 2850 К (Pпред=2,8 МПа). Существенное отличие измеренной температуры пла­мени от расчетной в области Р<Р_пред, по-видимому, можно объяс­нить неполнотой реагирования .продуктов сгорания при низких да­влениях.

Зависимость изменения температуры пламени смеси ПХА+ + ПММА от стехиометрического коэффициента A_CT показана на рис. V.25. Распределение температуры по высоте пламени в зави­симости от давления, измеренное оптическим методом [40], приве­дено на рис. V.26.

Ниже приведены данные о тепловыделении в конденсированной фазе смесевых топлив, вычисленные на основании (V.2):

Характеристики

Список файлов книги