Сухов А.В. - Порошкообразные металлические горючие (1043381), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Анализ полученных равновесных составов показал, что в продуктах сгорания Al + H2O содержится более всего H2, H, H2O, Al, Al2O. Относительные концентрации остальных газообразных составляющих не превышают 0,04...0,05. Значения относительных концентраций основных продуктов сгорания представлены в табл.2.
Полученные данные позволяют судить о влиянии давления на состав равновесных продуктов сгорания. Увеличение давления приводит к росту относительной концентрации H2, H2O, Al2O и к уменьшению доли H и Al, что обусловлено снижением степени диссоциации H2 и сублимации Al2O при высоких давлениях. По море выхода продуктов сгорания из фронта пламени происходит их охлаждение, что приводит к увеличению относительной концентрации Н2 и возрастанию массовой доли Al2O3. Так, при охлаждении продуктов сгорания ( = 1 МПа, х1S = 0,2) до 3000 К относительная объемная концентрация Н2 увеличивается до 0,925, а массовая доля Al2O3 — до 0,92.
Таблица 2
Относительные концентрации основных продуктов сгорания
(Тср = 2200 К, х1S = 0,2)
| , МПа | хН2 | хН | хН2О | хAl | хAl2O |
| 0,1 | 0,616 | 0,260 | 0,063 | 0,0225 | 0,0206 |
| 1,0 | 0,667 | 0,191 | 0,076 | 0,0202 | 0,0272 |
| 10,0 | 0,726 | 0,129 | 0,082 | 0,0158 | 0,0308 |
Следует отметить, что представленные результаты расчета не могут быть использованы при анализе процесса горения одиночных частиц металлов, так как отвод тепла из фронта пламени в окружающую среду должен существенно уменьшить Тf. При горении м совокупности частиц можно считать, что Тf, близка к полученному расчетному значению, так как в этом случае тепловые потоки из фронта пламени невелики.
Расчеты показали, что степень сублимации Al2O3 очень слабо зависит от давления:
(2.73)
где
— массовая доля в продуктах сгорания, охлажденных до 293 К; — массовая доля Al2O3 в продуктах сгорания при равновесной температуре.
Согласно расчетам, при варьировании Тср от 1200 до 3200 К изменение составляет 8,5...22%.
Полученные результаты в значительной степени отличаются от данных работ [8, 42], где для степени сублимации Al2O3 найдены значения, соответственно равные 100% и 62%, причем в первом случае учитывались тепловые потери из фронта пламени.
Вероятнее всего предположить, что столь высокие значения объясняются использованием в этих работах механизма испарения Al2O3 вместо механизма сублимации.
Результаты расчета позволили функционально связать степень сублимации Al2O3 с равновесной температурой (рис.2.10), что дает возможность вычислять значения Тf горящих частиц Al при наличии тепловых потерь из фронта пламени в окружающую среду.
Проведение термодинамических расчетов, а также определение физических и химических параметров (, Ср, s, f, Es, Еf, Кs, КГ и др.) позволяют рассчитать характеристики воспламенения и горения частиц металлов.
Результаты расчетов показывают, что в процессе газофазного горения Mg и Al могут реализоваться два режима горения: неустановившийся 
и установившийся 
. Причем в зависимости от 0, Тср, Рср, и Reотн граница между этими двумя режимами может смещаться. Так, с ростом Тср и Reотн происходит смещение ее в область более высоких значений Рср и о. На рис. 2.11 приведены расчетные зависимости, показывающие влияние температуры, давления и Reотн среды, а также размера частиц Mg, на положение границы между неустановившимся и установившимся режимами горения. По мере выгорания частиц возможен переход от второго режима к первому. В этом случае наблюдается изменение ТS, Тf, f и соответственно скорости горения 
.
В некоторых случаях процесс выхода на установившийся газофазный режим горения Mg может занимать значительную часть от общего времени горения. Скорости горения, соответствующие рассмотренным режимам, мoгут существенно отличаться друг от друга. На установившемся режиме скорость горения увеличивается с ростом Рср за счет увеличения Тf. Увеличение Тf, в свою очередь, объясняется ростом 
(так как на установившемся режиме 
). Теплоподвод при этом обусловлен как снижением степени испарения MgO, так и уменьшением затрат тепла на диссоциацию. Однако с ростом Рср происходит также увеличение температуры кипения Mg и, следовательно, увеличение относительной продолжительности неустановившегося режима, что приводит к уменьшению скорости горения (рис.2.12). Действительное значение скорости горения будет определяться относительным влиянием названных конкурирующих процессов. Изменение температуры окружающей среды, относительной скорости газа (Reотн) либо размера частиц Mg по-разному влияет на интенсивность того или иного конкурирующего процесса. В связи c этим в зависимости от 0, Тср, Reотн увеличение давления может как ускорять, так и замедлять скорость горения частиц Mg. По мере роста давления характер его влияния на скорость горения может меняться (рис. 2.13). Таким образом, рассмотренная методика позволяет с единых позиций объяснить для магния как убывающий [7], так и возрастающий [23] характер экспериментальных зависимостей Г = f(Рср), а также те данные, в которых эта зависимость имеет минимум [8, 120].
Представленная методика позволяет, кроме того, объяснить наблюдавшееся в ряде работ, в частности [78], уменьшение скорости горения частиц металлов с ростом их размера.
Рис. 2. 11
Независимо от начального размера частиц переход к установившемуся режиму происходит при одном и том же граничном значении d, которое, в свою очередь, зависит от Тср, Рср и Reотн.
Поэтому с увеличением d0 наблюдается уменьшение относительной продолжительности установившегося режима, что приводит к росту интегрального значения времени горения.
В этом случае уже не является справедливым закон Срезневского о постоянстве скорости уменьшения поверхности горящей частицы.
Как показали расчеты, влияние Тср, на скорость горения Mg на установившемся режиме невелико, однако c ростом Тср значительно ускоряется переход к установившемуся режиму, что в итоге приводит к уменьшению общего времени горения. Поэтому влияние Тср на г оказывается намного ощутимее в том случае, когда относительная продолжительность неустановившегося режима достаточно велика, например при высоких давлениях (рис.2.14).
по мере выгорания частицы Al (без учета диффузионного сопротивления K-зоны). Как видим, относительная продолжительность неустановившегося режима горения у Al пренебрежимо мала.Из эксперимента [52, 90] установлено, что воспламенение и поверхностное горение алюминия в водяном паре происходит до момента плавления окисной пленки (при горении образец Al сохраняет свою цилиндрическую форму, что свидетельствует о том, что окисная пленка не расплавилась). Диффузия окислителя к поверхности металла при этом, как указывалось выше, осуществляется через термические трещины в окисной пленке, «зарастанию» которых препятствуют постоянно выделяющийся из зоны реакции газообразный Н2. Переход от поверхностного режима к газофазному обусловлен плавлением защитной окисной пленки Al2O3.
Как указывалось выше, поверхностный режим горения предполагает наличие не только гетерогенной реакции на поверхности металла, но и газофазной (как на внешней, так и внутренней поверхности окисной пленки). Однако, в силу того что поверхностный режим реализуется при температуре частиц Al, меньшей температуры плавления окисной пленки, давление насыщенного пара алюминия мало и составляет всего 0,014 МПа при 7 = 2300 К [25]. Поэтому расчет поверхностного горения Al будет проводить в предположении, что выгорание металла на этом режиме осуществляется главным образом за счет гетерогенной реакции.
На основании высказанных предположений расчет поверхностного режима горения алюминия сводится к следующему. Из уравнений (2.14) и (2.24) количество окислителя, вступающего в гетерогенную реакцию, может быть найдено как
(2.74)
где
— коэффициент характеризующий относительное значение термических трещин на поверхности окисной пленки.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
