Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

Существенные аспекты процесса горения

Методы определения скорости горения

Введение

В общем случае скорость горения зависит от скорости смешения исходных компонентов в зоне прогрева и зоне реакции (для гетерогенных систем), от скорости химических реакций между компонентами, от скорости передачи тепла и активных частиц из зоны реакции к исходной системе. Нормальная скорость горения (и тем более форма фронта горения) зависит от условий течения свежей смеси и продуктов горения (особенно при горении в двигателях).

В теории горения рассматривается несколько основных типов пламен. Они неодинаковы по своему научному и практическому значению и степени изученности. Неодинаковы параметры, представляющие наибольший интерес для данного типа пламени. Существенно отличается подход к теоретическому рассмотрению каждого типа пламени. Некоторые различия имеются и в экспериментальных методах.

Имеется большое число промежуточных случаев, например, горение взвеси частиц твердого горючего или взвеси капель жидкого горючего в потоке газообразного окислителя. Наибольший технический интерес представляют именно промежуточные случаи.

Для гомогенных конденсированных систем чаще всего измеряется скорость горения цилиндрических зарядов, горящих с торца, причем фронт горения полагается плоским (опыт показывает, что в большинстве случаев при наличии надлежащей оболочки это допущение справедливо, и искажения наблюдаются лишь на краях заряда). К тому же для твердых веществ (и достаточно вязких жидких веществ) исходное (твердое или жидкое) вещество неподвижно во время горения. Поэтому в данном случае нормальная скорость горения просто равна видимой скорости пламени (в лабораторной системе координат) и постоянна в различных точках заряда.

Существенные аспекты процесса горения

Горение происходит в результате передачи соседнему слою тепла, выделившегося в реагирующем слое. Одновременно с выделением тепла происходят потери его в окружающую среду.

Горение протекает стационарно лишь в том случае, если количество тепла, отдаваемое соседнему слою, и теплопотери уравновешиваются теплоприходом за счет реакции.

Если суммарная теплоотдача становится больше, чем теплоприход, то горение оказывается не возможным.

При уменьшении диаметра заряда количество тепла, выделяемого в единицу времени, уменьшается пропорционально квадрату диаметра. Теплоотдача также уменьшается, но медленнее - она пропорциональна поверхности теплоотвода, т.е. первой степени диаметра. При некотором значении диаметра теплоприход не может компенсировать теплопотери и горение затухает.

Критическим диаметром горения называют минимальный диаметр, при котором ещё возможно горение. Критический диаметр не постоянная величина, он зависит не только от природы ВВ, но и от условий горения, в первую очередь от давления, начальной температуры, плотности заряда и дисперсности кристаллов.

Повышение температуры и давления снижают критический диаметр горения, увеличивают скорость горения, уменьшают потери в окружающую среду.

Для учета влияния температуры заряда на скорость горения существует ряд эмпирических выражений типа:

U=U0 Ч exp[B(T-T0)],

где В - температурный коэффициент, он зависит от свойства ВМ и равен: В=(0,8ч1,4) Ч10-3, град-1.

Своеобразное влияние на возможность горения оказывает плотность порошкообразных ВВ.

Так, плавящиеся ВВ (тетрил) затухают при уменьшении плотности до некоторого значения, неплавящиеся ВВ (нитроклетчатка) могут затухать при увеличении плотности выше максимальной величины. И в том, и в другом случае причиной затухания является увеличение теплоотвода из зоны реакции в исходное ВВ и снижение температуры и скорости реакции (за счет проникновения расплава в пористое вещество и за счет увеличения теплопроводности соответственно).

Как правило, создание предельных условий приводит к неустойчивому пульсирующему горению. При этом слабо прогретый слой ВМ саморазогревается, вспыхивает, отдает тепло следующему слою и т.д.

Важнейшей характеристикой порохов и ракетных топлив является закон горения - зависимость скорости горения от давления. Эту зависимость можно представить в виде эмпирического уравнения:

U = a + в Ч рн

горение скорость температура взрывчатый

где а, в и н - эмпирические коэффициенты.н

Закон горения определяют экспериментальным путем для определенного диапазона давлений. При других давлениях он может изменяться. Для порохов и ТРТ важнейшим параметром является показатель степени н. При устойчивом горении 0?н?1. Если н›1, то горение происходит с ускорением и может перейти в детонацию. Коэффициент «а» в значительной мере зависит от процессов, протекающих в конденсированной фазе, коэффициент «в» - в газовой.

Для большинства летучих ВВ (нитроглицерин, ТЭН) процессы идущие в концентрированной фазе не играют существенной роли, и закон горения имеет вид:

U=в Ч рн

Это объясняется тем, что теплота испарения летучих ВВ значительно уступает энергии активации процесса. Но при высоких давлениях, процесс превращения может перейти в конденсированную фазу.

Для нелетучих ВМ (бездымные пороха) в конденсированной фазе происходит разложение веществ до промежуточных газообразных продуктов (газификация) которые потом воспламеняются.

Пороха и ТРТ по своей химической природе представляют собой смесевые взрывчатые системы, которые горят более устойчиво при повышенных давлениях и температурах, чем их компоненты в отдельности. БВВ имеют малые коэффициенты ускорения процесса горения и с этой точки зрения переход горения в детонацию у них затруднен. Однако они имеют пористую структуру или находятся в жидком состоянии, что способствует возникновению дополнительного ускорения массовой скорости горения за счет увеличения его эффективной поверхности горения. Из-за этого горение может стать неустойчивым и перейти в детонацию. Однако не всякое непористое твердое БВВ может использоваться как порох.

Кристаллические БВВ, отличающиеся малой механической прочностью, при разрушении кристаллов также приведут к резкому увеличению поверхности горения и переходу горения в детонацию. Поэтому пороха должны изготовляться из механически прочных, аморфных, часто высокополимерных БВВ, которые сохраняют форму и поверхность горения при воздействии высоких давлений и перепадов температур.

Факторы, влияющие на горение

Скорость сложнейшего физико-химического процесса -- горения -- определяется скоростью отдельных (элементарных) химических реакций и процессами диффузии и теплопередачи из одной зоны реакции в другую.

Интенсивность теплопередачи в значительной мере определяется разностью температур в различных зонах реакции. Составы, имеющие наиболее высокую температуру пламени, являются, как правило, и наиболее быстро горящими.

Однако существующие исключения из этого правила показывают, что высокая температура в пламени является только одним из факторов, определяющих скорость горения составов.

1 Пористость состава будет характеризоваться значением (\--К). Следовательно, пористость спрессованных составов лежит в пределах 0,3--0,1.

Скорость горения в большой степени зависит от наличия в составе низкоплавящихся или легколетучих компонентов. При наличии их то тепло, которое при других условиях вызвало бы резкое повышение температуры в зоне реакции, расходуется на плавление или испарение этих веществ.

Именно этим в значительной мере объясняется тот факт, что низкоплавящиеся органические вещества (смолы, парафин, стеарин и др.) при введении их в двойные смеси (окислитель -- мегалл) резко уменьшают скорость горения.

Ведущими в процессе горения являются высокоэкзотермические (пламенные) реакции.

Однако скорость многостадийного процесса горения в целом определяется прежде всего тем, с какой скоростью протекает наиболее трудно и медленно идущая стадия процесса; такими являются эндотермические химические процессы.

Во многих случаях скорость горения составов определяется скоростью процесса разложения окислителя.

Объективным показателем, характеризующим легкость разложения окислителя, может служить парциальное давление над ним кислорода при различных температурах.

Как известно, константа скорости химической реакции К, чрезвычайно сильно возрастает при повышении температуры по закону

.........-E/RT

K=Be

где В--предэкслоненциалыный множитель;

Е--энергия активации в ккал/г-моль (кДж/г-моль);

R -- газовая постоянная.

Но знание максимальной температуры и энергии активации процесса не дает нам реальной возможности вычисления скорости горения, так как горение -- это совокупность химических реакций, протекающих в неизотермических условиях.

Безусловно, очень важно знание промежуточных стадий процесса горения. Но для 'выяснения их требуется проведение весьма сложного эксперимента; в настоящее время данные эти для большинства пиросоставов, к сожалению, отсутствуют.

Переходя к рассмотрению фактического материала, следует указать, что скорость горения составов определяется как их рецептом (химические факторы), так и условиями горения (физические факторы).

Под химическими факторами понимается влияние:

1) индивидуальных свойств компонентов состава;

2) количественного соотношения между ними;

3) ускоряющего действия каталитических добавок. Из рассмотрения данных о скорости горения сильно уплотненных составов при атмосферном давлении и 20° С следует, что наиболее быстрогорящими являются двойные смеси нитратов щелочных (или щелочноземельных) металлов с магнием, содержащие в себе 40--65% магния. Еще быстрее горят составы с цирконием.

Составы с алюминием при условии одинакового измельчения металла горят значительно медленнее, чем составы с магнием 1. Одна из причин -- большая разница в температуре кипения магния и алюминия: 1100 и ~2300° соответственно. Медленно горят составы, содержащие в качестве основного горючего бериллий, бор или кремний. Чем выше температура воспламенения горючего, тем меньше при прочих равных условиях скорость горения состава. Возможно, имеется также взаимосвязь между скоростью горения состава я числом Пиллинга и Бэдворса для содержащегося в составах металла ,,(а также В и Si). Для быст-рогорящих металлов, Mg ,и Zr эти числа соответственно равны 0,81 и 1,45; для Be, Si и В эти числа больше и равны соответствeнно 1,75; 2,04 и 4,08.

При практическом использовании смесей, содержащих алюминий, происходит неполное его сгорание. Горение капель алюминия в газовом потоке изучалось многими авторами [158]. Большое внимание было уделено процессу горения тройной системы:

МН4СlO4+ органическое горючее+А1.

А. Ф. Беляев [10] делает следующие выводы:

1. Увеличение концентрации алюминиевого порошка (в тройной смеси, прим. авт. данной книги)приводит к увеличению времени горения его частиц.

2. Увеличение времени горения происходит за счет ухудшения газового состава окисляющей среды и в результатеагломерации (курсив автора), которая приводит к укрупнению горящих частиц алюминия.

3. Агломераты, помимо алюминия, содержат значительное количество продуктов частичного разложения органического горючего. Время горения агломератов зависит от количества содержащегося в них алюминия».

Находящиеся в газовом потоке (в дымогазовой зоне пламени) капли алюминия покрыты слоем оксидной пленки и доступ газа-окислителя к еще не окисленному металлу затруднен. Нарушение оксидной пленки на капле металла может быть вызвано:

1) плавлением Аl2О3 (при 2030° С);

2) пробиванием ее изнутри парями металла при температуре, близкой к температуре его кипения (~2300°С). Следовательно, горение капель алюминия протекает весьма интенсивно в том случае, когда температура пламени превышает 2200--2300° С.

Медленнее всех горели смеси с органическими кислотами -- 3,0 мм/с, быстрее -- смеси со спиртами и углеводородами, 4,5-- 4,8 мм/с, еще быстрее смеси с аминами и нитросоединениями, 5,4--6,0 мм/с, затем смеси с нитраминами -- 7,0 мм/с; смесь с ферроценом горела значительно быстрее всех других -- 15 мм/с.

Авторы работы пришли к выводу, что в данном случае скорость горения не зависит от калорийности смесей, а определяется прочностью слабейшей связи в молекуле горючего; прочность связи уменьшается до ряду С--С, С--NH2, С--NОз, N--NO2.Большую скорость горения смеси с ферроцаном (C5H5)2Fe авторы объясняют каталитическим действием образующейся в результате горения окиси железа.

По вопросу о зависимости максимальной скорости горения от соотношения компонентов в смеси высказываются следующие соображения.

Составы делятся на две группы, в первой из которых максимум скорости горения лежит вблизи стехиометрического соотношения между компонентами (K='0,7/0,9), а для второй группы резко сдвинут в сторону избытка горючего (вплоть до K1 < O,1).

К первой группе относятся составы, в которых основным горючим является органическое связующее, а порошок металла играет лишь роль добавки.

Ко второй группе относятся составы, где основным горючим является порошок металла, а органическое связующее используется лишь как добавка, улучшающая механические свойства заряда.

В соответствии с этим скорость горения двойных смесей окислитель -- металл быстро возрастает с увеличением содержания в составе металлического горючего (конечно, до известного предела; для магния этот предел равен 60--70%). Это в известной мере связано с повышением теплопроводности состава при увеличении в нем содержания металла.

Циркониевые составы устойчиво горят при содержании циркония до 80%.

По данным А. Ф. Беляева, двойные смеси КС104--W устойчиво горят при содержании вольфрама до 90--95%. Надо думать, что значение предельного содержания металла, при котором смеси еще .способны ,к горению, определяется не только термохимией процесса или легкостью окисления металла, но и его плотностью; она увеличивается по ряду Mg-->Zr-->-W. При горении составов, содержащих сплав А1--Mg, наблюдается своеобразное явление: сначала из частичек сплава испаряется и в парах сгорает магний и лишь позднее сгорает алюминий.

*К -- обеспеченность состава окислителем.

При одинаковом содержании металла двойные смеси NaNO3 с магнием горят быстрее, чем смеси NaClO3 с магнием. Возможно, причиной этого является экзотермическое взаимодействие расплава нитрата с магнием в конденсированной фазе. Значительную роль здесь играет также то обстоятельство, что газовая среда в случае нитратов будет состоять из смеси оксидов азота и кислорода, а в случае хлоратов -- только из кислорода.

Из смесей, не содержащих в себе металлических горючих, быстро горят многие хлоратные смеси и дымный порох. В работах А. Ф. Беляева рассматривается влияние серы на скорость горения дымного пороха;

имеется также работа Бентура и др. о влиянии на скорость горения пороха различных органических добавок.

Среднюю скорость горения имеют смеси нитр.ата калия с древесным углем или идитолом.

Методы определения скорости горения

Методы определения скорости горения пиросоставов базируются на фиксации временя начала и конца горения столбика состава определенной длины. Эта фиксация осуществляется визуально (при атмосферном давлении), при помощи термопар, фоторегистра или кинокамеры.

Существует два способа для количественной характеристики скорости горения: линейной скорости и в мм/с и массовой скорости ит, выражаемой в размерности г/см2-с; последняя показывает количество состава, сгорающее в 1 секунду единицы горящей поверхности. Массовую скорость горения можно вычислить по формуле Um = 0,1 u*d где d--плотность состава в г/см3.

Как было уже указано, горение протекает равномерно лишь при достаточном уплотнении состава. Для оценки степени уплотнения 'необходимо определить коэффициент уплотнения /С, представляющий собой частное от деления практически достигнутой плотности d на предельную плотность состава dmax последняя находится вычислением исходя из плотности компонентов состава:

K=d/dmax

dmax = ..............100...................

...............a/d1 + b/d2 + ... n/dn

где di, d1 d2, . . ., dn, -- плотность компонентов;

а, b, . .., п -- содержание этих компонентов в составе в %.

Для большинства спрессованных составов коэффициент уплотнения колеблется в пределах 0,7--0,9. Насыпная плотность порошкообразных составов составляет 40--60% от dmax.

Для различных составов линейная скорость горения колеблется весьма значительно: от десятых долей мм/с (для дымовых составов) до 20--30 мм/с (для быстрогорящих осветительных составов).

Заключение

Горение твердых горючих веществ в начальной стадии возникновения горения называется загоранием. Для такой стати характерны неустойчивость горения, сравнительно низкая температура в его зоне, малый размер факела пламени и небольшая площадь очага.

Температура окружающей среды повышена незначительно, только непосредственно у очага горения.

Скорость горения твердых веществ непостоянна и зависит от отношения их поверхности к объему, от влажности, доступа воздуха и других факторов.

Линейная и массовая скорость горения зависит от:

- геометрических размеров заряда (диаметра);

- внешних условий (температуры и давления);

- дисперсности ГС (размера частиц);

- наличия примесей.

Для смесевых систем дополнительно оказывают влияние:

- химическая природа компонентов, их теплофизические характеристики;

- соотношение компонентов и дисперсность каждого из них.

Список литературы

1. Льюис Б., Эльбе Г., Горение, пламя и взрывы в газах, пер. с англ., 2 изд. - М., 1998

2. Процессы горения в химической технологии и металлургии, Черноголовка, 2005

3. Теория горения и взрыва. - М., 2001.

4. Хитрин Л. Н. Физика горения и взрыва. - М., 1997

5. Яблоков В. А. Теория горения и взрыва. В 3-х частях. Учебное пособие. - НГАСУ, 2007.

Размещено на Allbest.ru