горение конденсированных систем. Горение конденсированных систем. Лекция 13. Горение конденсированных систем Конденсированные системы
 Скачать 6.93 Mb.
|
Лекция 13. Горение конденсированных системКонденсированные системыЖидкие топлива Твердые топлива:
Самостоятельно горящие (содержат в составе молекул окислитель или перемешаны с ним): порох, взрывчатые вещества, твердые ракетные топлива, пиротехнические составы, термитные составы и т.д.):
гетерогенные (дымный порох, термитные составы, «карамельное» топливо и др.) Особенности процессов горения конденсированных систем (пороха, твердые ракетные топлива – основа артиллерии и ракетной техники)Высокая скорость горения (время хим. превращения порядка 10-3 сек) Узкая зона пламени (10-6 м) Высокая температура горения (3000K) Высокие градиенты концентрации и температуры в зоне горения Химические реакции протекают как в конденсированной, так и в газовой фазе. Нестационарный характер протекания превращений, неоднородность по пространству ГОРЕНИЕ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СИСТЕМ практическая важность теорииμ и ТВ – средний молекулярный вес и температура продуктов горения (отношению тяги к весовому расходу топлива) - показатель адиабаты Предположение А.Ф. Беляева (1938, нитроглицерин, тротил и др.): - при горении летучих взрывчатых веществ (ВВ) имеет место их кипение на поверхности горения испарение (обратимый процесс) горение в газовой фазе - Температура поверхности горения определяется температурой кипения ВВ, зависящей от давления - Экспериментально показано наличие «темной» зоны между поверхностью горения и пламенем Теория горения гомогенных конденсированных систем Модель Беляева – Зельдовича горения гомогенных КС (бездымные пороха)Т lВ 0 x ТВ Т0 Тs 2 3 4 5 1 В бесконечно узкой зоне 2 протекает слабо экзотермичная или эндотермичная необратимая реакция превращения пороха в газообразные продукты, богатые энергией. Основное выделение тепла протекает в пламени с образованием конечных продуктов горения T* - температуропроводность [м2/с], u – скорость горения Распределение температуры в конденсированной фазе: (1) Из этих двух уравнений получим уравнение дляРассмотрим уравнениеГде Ф(T)=QBw – скорость тепловыделения Из ур-ия (2) найдем ширину прогретого слоя (темной зоны) в газовой фазе: (2) Для нахождения скорости горения используем метод, предложенный Зельдовичем и Франк- Каменецким в теории горения газов. Рассмотрим две области 3 и 4. В области 4 уравнение теплопроводности имеет вид:Все тепло, генерируемое реакцией и равное QB на единицу веса, должно отводиться теплопроводностью в область с более низкой температурой. Стадийное протекание реакцийВ однородной среде распространяется волна горения с двумя последовательными реакциями Введем также u1(T1) - скорость распространения волны одной первой стадии; u1(TM) - скорость, соответствующая случаю, когда вторая стадия протекает очень быстро, так что в конце первой стадии устанавливается температура горения; u2(TM)- скорость, соответствующая протеканию второй реакции при температуре горения (первая стадия протекает очень быстро). Возможны следующие режимы распространения волны горения в этом случае. Случай 1: u1(T1)>u2(T2), волна первой стадии уходит вперед, вторая стадия не влияет на первую, которую можно назвать ведущей. РЕЖИМ ОТРЫВА Случай 2: u2(TM)>u1(T1), волна второй стадии догонит волну первой, температура в этой стадии будет возрастать пока u1(T1)=u2(TM). РЕЖИМ УПРАВЛЕНИЯ 1 – температура, 2 – концентрация реагента a, 3 – концентрация промежуточного вещества b, 4- скорость тепловыделения в пламени u → exp(-E1/RT1) 1 – температура, 2 – концентрация реагента a, 3 - концентрация промежуточного вещества b, 4- скорость тепловыделения в пламени u → exp(-E2/RTM) Случай 3: u1(TM) не может догнать первую, скорость горения лимитируется первой стадией, при этом u=u1(TM) < u2(TM) РЕЖИМ СЛИЯНИЯ 1 – температура, 2 – концентрация реагента a, 3 - концентрация промежуточного вещества b, 4- скорость тепловыделения в пламени u → exp(-E1/RTM) Распространение фронта химической реакции в К-фазеПроцесс горения КС является, по крайней мере, двухстадийным: u1(T1)>u2(T2), Если волна первой стадии в К- фазе уходит вперед, то вторая газофазная стадия не влияет на первую, которую можно назвать ведущей. Этот случай был рассмотрен Зельдовичем. Выражение для скорости горения было получено подстановкой в уравнение для u вместо QB и TB значений с(TS-T0) и TS. Тогда получимБеляев рассчитал скорость горения пироксилинового пороха при 1 атм, применяя формулу Зельдовича. Приняв = 1,6 г/см3, c = 0,29 кал/г град, = 5,5*10-4 кал/см с град, Q1 = 128 кал/см3, B = 1017 1/c, E1 = 44600 кал/моль, TS = 573 K, T0 = 363 K, он получил uрасч = 3,4*10-2 см/с. Тогда как uэксп = 7*10-2 см/с Переход горения в детонациюЕсли температура поверхности горения Ts зависит от упругости пара то скорость u1 волны нагрева зависит от давления Для нитрогликоля E1 = 40 ккал/моль, Q1 = 14,5 ккал/моль, E1/2Q1 = 1,38 при повышении давления скорость волны нагрева КС u1 растет быстрее скорости горения u10pm, которая пропорциональна давлению в степени m. Повышение давления согласно опыту способствует переходу горения в детонацию. При некотором давлении они сравняются: Критическое давление перехода горения в детонацию определяется этим уравнением Лекция 14 ГОРЕНИЕ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СИСТЕМ Методы измерения характеристик горения КССхема установки для измерения скорости горения КС Зависимость давления в камере сгорания постоянного объема при горении образца.Зависимость скорости горения от давленияЗондовые масс-спектрометрические методы изучения структуры пламен КССхема экспериментальной установки Образец топлива двигается к пробоотборнику со скоростью, превышающей скорость горения топлива Поверхность горения rb Vm Vm > rb Схема синхронизации видеозаписи момента касания зондом поверхности горения образца и масс-спектрометрических измерений 1 мм образец Зонд «Темная» зона, 0.4 mm Измерение структуры пламени топлива HMX/GAP при 5 давлении 5 атм. Касание зондом поверхности горения Определение положения горящей поверхности Структура пламени ПХА (точки — эксперимент, линии — расчет).СОКРАЩЕННЫЙ МЕХАНИЗМ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ В ПЛАМЕНИ ПЕРХЛОРАТА АММОНИЯClO3 = ClO + O2,(1) ClOH + OH = ClO +H2O,(10) ClO2 +Cl = 2ClO,(2) NH3 + Cl = NH2 + HCl,(11) 2ClO = Cl2 + O2,(3) OH + HNO = H2O + NO,(12) ClO + NO = Cl + NO2,(4) HClO4 = OH + ClO3,(13) ClO + NH3 = NH2 + ClOH,(5) HClO4 + HNO = ClO3 + NO +H2O(14) OH + HCl = H2O + Cl,(6) NO2 + NO2 = O2 + 2NO,(15) Cl + O2 + M = ClO2 + M,(7) NH3 + OH = NH2 + H2O,(16) HNO + O2 = NO2 + OH,(8) HClO4 + HNO = ClO2 + NO2 + H2O(17) NH2 + O2 = HNO + OH,(9) Из профилей концентраций рассчитаны стехиометрические коэффициенты νi одноступенчатой брутто-реакции разложения ПХА на газообразные компоненты Ai:где νi = M0(myi + Ii)/m – отношение потока компонента на поверхности горения к потоку ПХА; M0 – молекулярная масса ПХА; m – массовая скорость его горения В эксперименте 20–30% ПХА разлагается в к-фазе до конечных продуктов (HCl, Cl2, N2, N2O, NO и др.), а 70–80% – до полупродуктов (ClO2, ClOH) и продуктов диссоциативной сублимации (NH3, HClO4) СТРУКТУРА ПЛАМЕНИ RDX, HMX при 0.1 MPa Структура пламени гексогена при 1 атм (точки – эксперимент, линии – расчетСОКРАЩЕННЫЙ МЕХАНИЗМ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ В ПЛАМЕНИ гексогенаHCN + OH = CN + H2O,(18) CO2 + H = OH + CO,(28) CN + NO = CO + N2,(19) NH + OH = N + H2O,(29) HCN + OH = NH2 + CO, (20)NH + H = N + H2,(30) NO2 + H = NO + OH,(21) NH2 + OH = H2O + NH,(31) NO + N = N2 + O,(22) OH + H2 = H2O + H,(32) NO + H + M = HNO + M,(23) NH2 + NO = N2H + OH,(33) 2HNO = H2O + N2O,(24) N2H + NO = HNO + N2,(34) H2 + O = OH + H,(25) OH + N2O = N2 + HO2,(35) CO2 + M = CO + O + M,(26) HO2 + NO = NO2 + OH, (36)H2O + O = 2OH,(27) NH + NO = N2 + O + H.(37) По экспериментальным данным получено уравнение суммарной реакции C3H6O6 тв А (C3H6O6 газ + ПОЛУПРОДУКТЫ) 0,35CO + 0,55CO2 + 0,62N2 + 0,35N2O + 1,9NO + 0,19NO2 + + 1,95H2O + 1,9HCN + 0,19HNCO, которому соответствует тепловой эффект Q ≈ 400 кал/г. Идентификация паров HMX И измерение концентрации HMX Проточный реактор Для термического разложения HMX при 1 атм Для паров HMX калибровочные коэффициенты определены по интенсивности пика m/e 42, который является основным в масс-спектре HMX. БРУТТО-РЕАКЦИЯ В КОНДЕНСИРОВАННОЙ ФАЗЕ RDXC 0.46RDXVAP + NO + 0.75H2O + 0.75HCN + 0.22N2 + + 0.53CO + 0.22H2 + 0.22NO2 + 0.13CO2 + 0.18N2O + + 0.04CH2O + 0.075HCNO Тепловыделение в этой реакции-50 кал/г (–84 кал/г [Zenin, 1995]) СТРУКТУРА ПЛАМЕНИ ГЕКСОГЕНА ПРИ 0,1 МПа m/e 42 (NCO+,CNO+) НЕ ИДЕНТИФИЦИРОВАННАЯ МАССА В БЛИЖНЕЙ ЗОНЕ ПЛАМЕНИ ГЕКСОГЕНА HNCO HCNO RDXV/10 ЭКСПЕРИМЕНТ МОДЕЛИРОВАНИЕ Ts=650K RDXV=7% =0.049г/см2*с На основе результатов моделирования структуры пламени гексогена для объяснения 42 пика в масс-спектре пробы, отобранной из продуктов разложения и пламени гексогена, предложены соединения HNCO, HCNO. Горение смесевых КССтруктура пламени смесевого топлива Типичные смесевые твердые ракетные топлива и их горение (изображение под микроскопом) Combustion occurs within 100 microns of surface (except Aluminum) . 3-D структура пламени (Buckmaster & Jackson) Особенности моделирования структуры пламени топлива с перхлоратом аммония Final diffusion flame Premixed binder flame Primary diffusion flame AP monopropellant flame BYU Calculated Diffusion Flame For AP/HTPB Propellant DAP = 400 µm Связка: 77.5% AP binder = 89 µm P = 20 atm Геометрическая конфигурация Институт химической кинетики и горения СО РАН, Новосибирск Институт химической кинетики и горения СО РАН, Новосибирск Институт химической кинетики и горения СО РАН, Новосибирск Институт химической кинетики и горения СО РАН, Новосибирск Институт химической кинетики и горения СО РАН, Новосибирск Институт химической кинетики и горения СО РАН, Новосибирск Институт химической кинетики и горения СО РАН, Новосибирск Институт химической кинетики и горения СО РАН, Новосибирск Институт химической кинетики и горения СО РАН, Новосибирск Институт химической кинетики и горения СО РАН, Новосибирск Институт химической кинетики и горения СО РАН, Новосибирск Институт химической кинетики и горения СО РАН, Новосибирск Институт химической кинетики и горения СО РАН, Новосибирск Институт химической кинетики и горения СО РАН, Новосибирск Институт химической кинетики и горения СО РАН, Новосибирск Институт химической кинетики и горения СО РАН, Новосибирск Институт химической кинетики и горения СО РАН, Новосибирск Институт химической кинетики и горения СО РАН, Новосибирск Институт химической кинетики и горения СО РАН, Новосибирск Институт химической кинетики и горения СО РАН, Новосибирск Институт химической кинетики и горения СО РАН, Новосибирск Институт химической кинетики и горения СО РАН, Новосибирск Институт химической кинетики и горения СО РАН, Новосибирск Институт химической кинетики и горения СО РАН, Новосибирск Институт химической кинетики и горения СО РАН, Новосибирск Институт химической кинетики и горения СО РАН, Новосибирск Институт химической кинетики и горения СО РАН, Новосибирск Институт химической кинетики и горения СО РАН, Новосибирск Институт химической кинетики и горения СО РАН, Новосибирск Институт химической кинетики и горения СО РАН, Новосибирск Институт химической кинетики и горения СО РАН, Новосибирск Институт химической кинетики и горения СО РАН, Новосибирск Институт химической кинетики и горения СО РАН, Новосибирск |