Температура горения пороха: Нитроцеллюлозные пороха. — Охотники.ру

Содержание

Нитроцеллюлозные пороха. — Охотники.ру

Пороха являются метательными взрывчатыми веществами. Основной вид взрывчатого превращения – горение, не переходящее в детонацию. Пороха легко воспламеняются и горят параллельными слоями, что позволяет в широких приделах регулировать образование пороховых газов и управлять явлением выстрела.

фото: fotolia.com

Нитроцеллюлозные пороха – официально принятое во внутренней баллистике название, они же бездымные, они же коллоидные. Пороха это пластифицированные нитраты целлюлозы разного происхождения от хлопковой ваты, первичной целлюлозы из древесины, измельченного пергамента и вискозной нити до резаной макулатуры. Это основная причина различного качества пороха от разных производителей.

Нитраты целлюлозы получают обработкой целлюлозы азотной кислотой и характеризуются средним содержанием азота. Нитраты целлюлозы со средним содержание азота выше 12% называются пироксилинами, именно они являются основой порохов для стрелкового оружия.Появились технологии переработки армейских порохов на охотничьи пороха.

Пироксилины очень хрупкие, и из них нельзя получить одинаковые по форме и размеру, относительно стойкие к механически воздействиям зерна. Поэтому из них в начале получают пластичные и термопластичные массы путем добавления растворителей (пластификаторов). По типу растворителя делятся на одноосновные (Single base powders) и двухосновные (Double base powders).

Одноосновные пороха — это пороха на летучих растворителях, эфирноспиртовых смесях.
Излишки, которых после формирования зерна, удаляются сушкой.
Двухосновные пороха это пороха на труднолетучих и не летучих расточителях, это либо нитраты многоатомных спиртов (нитроглицерин, ниродигликоль и др.), либо ароматические соединения ( ди- и тринитротолуол и др.).

Есть еще пороха эмульсионного приготовления, на эмульсии смешанных растворителей в воде.
Во время работы над этой статьей появилась перепроверенная на баллистическом комплексе информация.

Патроны, снаряженные одноосновным порохом G3000/32A в прошлом году и хранившиеся в помещении при влажности порядка 30% показали максимальное давление более чем на 200 бар выше по сравнению со свежими (786-862 против 596-628 бар). Что уже не допустимо для ружей с патронниками 70 и 65 мм т.к. это выше среднего максимального эксплуатационного давления. О получении качественной дробовой осыпи при таком максимально давлении и речи быть не может.

По мнению специалистов это объясняется требованиями ТУ по хранению патронов и порохов именно одноосновных. Влажность в помещении хранения должна быть не ниже 62%, нижняя граница мне не известна и требует уточнения. Рекомендуют перед использованием выдержать такие патроны 2 недели в помещении с влажностью порядка 60%.

Патроны, снаряженные двухосновным порохом M92S, никакой разницы при отстреле не показали. Свойства этих порохов меньше зависят от условий хранения.

http://forum.guns.ru/forummessage/11/1070113-58.html (От редакции: на момент публикации статьи ссылки не работали, это связано с техническими проблемами на guns.ru, длящиеся порядка недели)

Свойства порохов.

Плотность (удельный вес) для стрелкового оружия находится в пределах 1,3 -1,64 г/см3, в расчетах практически не применяется и производителями не сообщается.

Форма и размеры зерна. Это главный показатель определяющий скорость горения и газообразования. Определяющим размером является наименьшая толщина горящего слоя.

Зерна прямоугольной формы горят быстрей, чем сферические.

Прогрессивность – свойство пороха увеличивать скорость горения и газообразования с увеличением заснарядного пространства. В порохах для стрелкового оружия прогрессивность регулируется размерами зерна, глубиной пропитки и составом флегматизаторов. В артиллерийских порохах — за счет конструкции зерна, наличия трех и более каналов, покрытия поверхности негорючими веществами — зерно горит со средины и поверхность горения постоянно увеличивается.

Горение сопровождается значительным выделением газообразных продуктов и тепла.
При нормальном режиме горения в продуктах горения содержится в основном углекислый газ, угарный газ, водород, азот и пары воды.

Если в продуктах горения появляются окислы азота в большом количестве, то это признак аномального горения. При этом мощность пороха уменьшается в два раза.

Порох переходит в такой режим горения при давлении ниже 40-50 бар по одним источникам и 150 бар по другим. При этом порох может даже прекратить горение в стволе. Это могут часто наблюдать владельцы полуавтоматических ружей при чистке ударно спускового механизма.

Полагаю, что величина 150 бар относится к порохам для стрелкового оружия. Этим объясняется требование поддержания максимального давления на максимально допустимом уровне и рекомендации использовать пороха с номинальными для них весами снарядов. Так считается, что 35 граммовый порох Сокол следует применять со снарядами не легче 28 г, далее срыв в аномальный режим горения и потеря постоянства боя.

Энергетические характеристики порохов.

Объем газообразный продуктов горения 1 кг пороха. Зависит от природы, состава пороха и условий горения. Для ниторопорохов, предназначенных для стрелкового оружия, объем продуктов горения приведенный к нормальным условиям (0 градусов Цельсия, 760 мм рт. ст. при парообразной воде) составляет 910-920 л/кг. Для дымного пороха эта величина в 3 раза меньше.

Тепловой эффект, или количество тепла выделяемого при сгорании 1 кг пороха.
Для порохов, предназначенных для стрелкового оружия, — 8000-9000 ккал/кг.
Температура горения 2800-2900 градусов Кельвина.

Сила пороха.

Это работа, которую могли бы совершить газообразные продукты горения 1 кг пороха расширившись про атмосферным давление (760 мм рт.ст.) при нагревании их от ноля до температуры горения в градусах Кельвина. Для порохов, предназначенных для стрелкового оружия 1 000 000 Дж.

Коволюм. Это величина, характерная для определенного типа пороха, пропорциональная объему газовых молекул, и оказывающая влияния на величину давления. При относительно низких давлениях, как в гладкоствольном ружье, им можно пренебречь.

Скорость горения пороха при Р=1 бар. Зависит от химического состава пороха.
Эта скорость горения зависит от содержания летучих веществ.
Сила пороха при сгорании в постоянном объеме влияет на величину давления и скорость его нарастания, скорости горения при Р=1 бар – только на скорости нарастания давления.
Они являются баллистическими характеристиками пороха.

Кроме баллистических характеристик на величину и характер нарастания давления влияет плотность заряжания, которая является характеристикой условий заряжания. Плотность заряжания представляет собой отношение веса заряда к объему, в котором горит порох.

Гравиметрическая плотность. Она характеризует степень компактности заряда при данной плотности пороха, она больше у пороха, зерна которого имеют скругленные края и меньше у пороха с прямоугольными краями и выступающими ребрами. Наибольшую гравиметрическую плотность имеет порох с шаровой и прутковой формой зерна.

Гравиметрическая плотность (объемный, насыпной вес) принято измерять в г/дм3 (г/л), в порохах для гладкоствольного оружия находится в пределах 450-650. В линейке порохов одного производителя, чем больше гравиметрическая плотность, тем меньше скорость горения и выше прогрессивность.

В патроне для гладкоствольного ружья, при плотных способах снаряжения и поджатием пороха гравиметрическая плотность остается неизменной и не зависит о величины первичного сжатия и поджатия усилием завальцовки, что на конечные параметры выстрела не влияет.

Таким образом, имеются три баллистические характеристики:

Сила пороха.
Скорость горения при Р= 1 бар
Размеры и форма зерна.

И характеристику условий заряжания – плотность заряжания.

Основные фазы процесса горения. Скорость горения.

В процессе горения различают три фазы: зажжение, воспламенение и горение.

Зажжение – процесс начала горения под действием внешнего импульса, взрыва КВ. После того как порох загорится хотя бы в одной точке, реакция горения идет сама собой за счет выделенного при этом тепла. Началу горения предшествует нагрев и появление горючих газов. При зажжении порох должен нагреваться быстро, так как при медленном нагревании горючие газы разлагаются, и порох быстро теряет свои баллистические свойства.

Для этого создаваемое капсюлем давление в каморе должно быть не ниже некоторого предела, который зависит от состава ВВ капсюля, природы пороха, плотности заряжания, калибра ружья. Капсюля для воспламенения спортивных и охотничьих нитропорохов делятся на три класса: мощные, средние и слабые. Универсальными считаются мощные капсюли.

Вопрос применения различных по мощности капсюлей в зависимости от типа пороха, калибра и условий заряжания требует отдельного рассмотрения.

Если мощность воспламеняющего импульса не достаточна, и давление его мало, то воспламенение может не произойти, или получится затяжной выстрел. Этим обосновываются рекомендации подсыпки дымного пороха при снаряжении с нитропорохом и маломощным капсюлем ЦБО, который предназначен для дымного пороха.

Бездымный порох загорается при температуре 200 градусов Цельсия, дымный при 300.
После зажжения одновременно идут два процесса — воспламенение и собственно горение.

Воспламенение – процесс распространения горения по поверхности пороховых зерен. Скорость воспламенения главным образом зависит от давления, состояния поверхности зерна пороха (гладкая, шероховатая, пористая), от его природы, формы, от состава газов и продуктов горения КВ.

Горение пороха – процесс распространения реакции горения вглубь порохового зерна перпендикулярно к поверхности пороха. Скорость горения также зависит от давления окружающих порох газов, его природы и температуры горения.

На открытом воздухе скорость воспламенения бездымных порохов в 2-3 раза выше, чем скорость горения.

Дымный порох воспламеняется в сотни раз быстрее, чем бездымный 1-3 м/с и 10 мм/с, соответственно.

Анализируя формулу Закона горения, с достаточной точностью можно принять, что скорость горения порохов для стрелкового оружия прямо пропорционально давлению.

Понятие о теории горения пороха.

С тридцатых годов прошлого столетия во внутренней баллистике принята теория горения Беляева – Зельдовича. Считается, что сначала происходит разложение твердого пороха и образование газов, которые вступают в горение при сильном повышении температуры в газовой фазе. На поверхности пороха температура относительно не высока и соответствует первичному разложению клетчатки.
Относительно поверхности зерна пороха с каждой из двух его сторон есть три зоны.

В зоне непосредственно на поверхности зерна происходит реакция разложения и газообразования. Толщина этой зоны зависит от толщины зерна, чем оно толще, тем меньше эта зона, и меньше скорость горения. Над ним газообразный слой и только в последнем третьем слое происходит реакция горения. Между твердой поверхностью зерна и горящим слоем всегда есть не горящий газовый слой.

Т.к. все зерна заряда воспламенились одновременно, то время горения всего заряда будет определяться времени горения самого толстого зерна, в идеале все зерна должны быть одинаковые и горение закончится одновременно.

Михаил Багдашкин 2 апреля 2013 в 19:49

§ 1.3. Горение пороха

Для того чтобы началось горение порохового зер.на, ему необ­ходимо в некоторой точке поверхности сообщить тепловой им­пульс, способный вызвать взрывчатое превращение пороха. Этот процесс называется зажжением. Зажжение бездымного пороха происходит при температуре около 200° С, а зажжение дымного пороха — при температуре около 270° С.

После зажжения происходит воспламенение, т. е. процесс рас­пространения реакции взрывчатого превращения по поверхности порохового зерна. Скорость воспламенения зависит от сорта по­роха и внешних условий, главным образом от наружного дав­ления. С увеличением давления скорость воспламенения возра­стает.

При атмосферном давлении скорость воспламенения бездым­ного пороха равна 1 мм/с, а дымного пороха достигает 3000 мм/с.

В орудии зажжение и воспламенение порохового заряда при выстреле производятся с помощью воспламенителя, состоящего обычно из дымного пороха, создающего при сгорании давление пороховых газов примерно 50-105Н/м2.

Горением пороха называется процесс распространения реак­ции взрывчатого превращения от поверхности в глубь порохового зерна.

Механизм горения пороха состоит в термическом разложении (газификации) нитроклетчатки в поверхностном слое 1 (рис. 1.4) и в химическом взаимодействии газообразных продуктов разло­жения в зоне 2 с образованием пламени и выделением большого количества тепла.

На рис. 1.4 показан график изменения темпе­ратуры в толщине пороха и в пороховых газах у поверхности зер­на от начальной температуры поро­ха То до температуры горения Т\. На­грев поверхностного слоя на глуби­ну хгпроисходит за счет теплопередачи от раскаленных пороховых газов зо­ны 2, причем в поверхностном слое зерна толщиной хр устанавливается температура Тп, при которой идет про­цесс разложения нитроклетчатки. При сжигании пороха в открытом про­странстве получены следующие дан­ные: для пироксилинового пороха Тп= = 525±48°К, для нитроглицеринового пороха ГД = 603±45°К; величина хр составляет около 5% толщины прогре­того слоя хг.

Горение пороха характеризуется величиной скорости горения.

Скоростью горения пороха «’ называется скорость распростране­ния реакции взрывчатого превращения пороха по нормали к по­верхности порохового зерна:

где е — толщина слоя сгоревшего пороха, т. е. расстояние от по­верхности порохового зерна, на которое распространяется реакция взрывчатого превращения за время (.

Скорость горения пороха зависит от сорта пороха, наруж­ного давления, начальной температуры пороха, скорости обдува поверхности порохового зерна.

Зависимость скорости горения от давления р называется законом скорости горения и в общем случае выражается эмпири­ческой формулой

где а, Ь, V — эмпирические коэффициенты.

В артиллерийских орудиях при больших давлениях справед­лив линейный закон

Эмпирический коэффициент скорости горения ии как следует из формулы (1.17), представляет собой скорость горения в м/с

при давлении, равном 1 Н/м2, и имеет размерность Ве­

личина «ь очевидно, должна зависеть от сорта, начальной тем­пературы и скорости обдува пороха.

В табл. 1.4 приведены увеличенные в 10п раз значения u для различных сортов пороха при температуре пороха l3=15°С и при отсутствии обдува пороха.

Величина их возрастает примерно на 28% при увеличении со­держания азота в порохе на 1% и уменьшается примерно на 13% с увеличением содержания влаги в порохе на 1%.

Для всех существующих бездымных порохов можно принять следующую опытную зависимость:

из которой следует, что с увеличением калорийности скорость го­рения пороха возрастает линейно.

Зависимость скорости горения пороха от его начальной темпе­ратуры l3 имеет следующий вид:

где Б — эмпирический коэффициент, равный в среднем 320.

Для существующих бездымных порохов при увеличении на­чальной температуры на ГС скорость горения увеличивается примерно на 0,16%.

Зависимостью скорости горения пороха от скорости обдува при горении пороха в артиллерийском орудии, когда пороховые зерна перемещаются вместе с пороховыми газами, можно прене­бречь.

В основу изучения горения порохового заряда, состоящего из большого числа пороховых зерен, положены три основных поло­жения, полученных из многолетней артиллерийской практики:

  • все пороховые зерна заряда имеют одинаковую форму и размеры;

  • воспламенение всех пороховых зерен заряда происходит мгновенно;

горение всех пороховых зерен заряда происходит во всех точках поверхности с одинаковой скоростью, т. е. параллельными слоями

Эти положения составляют сущность так называемого геомет- ческого «закона горения пороха. В некоторых случаях (недостаточные воспламенителя, очень узкие каналы в пороховых зернах) геометрический закон горения может существенно отличаться от действительного, называемого физическим законом горения по­роха.

Влияние сажи на скорость и параметры волны горения высококалорийного пороха Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 662.311.1

Е Зо Тве, А. П. Денисюк, В. А. Сизов

ВЛИЯНИЕ САЖИ НА СКОРОСТЬ И ПАРАМЕТРЫ ВОЛНЫ ГОРЕНИЯ ВЫСОКОКАЛОРИЙНОГО ПОРОХА

Ключевые слова: порох, сажа, скорость горения, температурный профиль.

Изучено влияние различного (0,1-5%) количества мелкодисперсной сажи КГО-250 на закономерности горения высокоэнергетического пороха @ж = 5619 кДж/кг). Показано, что сажа в зависимости от её количества в порохе и давления, при котором происходит горение, может, как увеличивать (на 10-20% при 0,1-1,5% сажи) скорость горения, так и уменьшать её (на ~20% при 5% сажи). Установлено, что 1,5 и 5% сажи оказывают существенное и сложное влияние на температурный профиль в газовой зоне, вероятно, за счет катализа экзотермических реакций с участием N0 и за счет эндотермического взаимодействия с С02 и Н20. Показано, что при горении пороха над реакционным слоем к-фазы формируется слой сажи, температура верхней границы которого на ~50-80 К выше температуры реакционного слоя к-фазы.

Keywords: propellant, soot, combustion rate, temperature distribution.

Influence of various (0,1-5 %) quantities of finely dispersed soot KGO-250 on combustion regularities of high-energetic propellant (Qzhe = 5619 kJ/kg) is investigated. It is shown, that depending on the content amount and pressure at which combustion takes place, soot can either increase (up to 10-20 % at 0,1-1,5 % of soot content) combustion rate, or reduce it (by ~20 % at 5 % of soot content). It is established, that 1,5 and 5 % of soot render significant and complex influence on temperature distribution in gaseous zone, probably, for the account of catalyzing exothermic reactions with participation of NO and for the account of endothermic interactions with CO2 and h3O. It is shown, that a sooty layer is formed just above the condensed- phase reaction layer of propellant, the upper boundary temperature of which is about 50-80 K higher than the temperature of condensed- phase reaction layer.

Известно, что различные соединения свинца, особенно в сочетании с медьсодержащими веществами, являются эффективными

катализаторами горения нитроглицериновых порохов средней калорийности, содержащих в своем составе дополнительные пластификаторы (динитротолуол (8-12%), дибутилфталат и др. или их сочетания) (см. например [1]). Однако, на горение высокоэнергетических порохов без дополнительных пластификаторов значительное влияние катализаторов появляется лишь при введении в порох сажи [2,3], при этом большое значение имеет соотношение между катализаторами и сажей [4].

Тройной катализатор (соединения свинца и меди + сажа) позволяет в широких пределах регулировать скорость горения порохов различного состава, в том числе с высоким содержанием октогена и снижать зависимость её от давления в широком его диапазоне [5] и от начальной температуры заряда [6].

Основная роль сажи в катализе горения заключается в том, что она вместе с конденсированными продуктами распада нитроцеллюлозы образует на поверхности горения сажистый каркас, на котором происходит накопление частиц катализатора без их агломерации [3,7]. Предполагается также, что сажа может участвовать в реакциях горения, а в том же выполнять и каталитическую роль [3], но экспериментально это не показано.

Целью настоящей работы явилось изучение влияния сажи на скорость и параметры волны горения высококалорийного модельного пороха, состоящего из 39,2% нитроцеллюлозы (НЦ), 58,8% нитроглицерина (НГЦ) и по 1% централита и индустриального масла. Использовали

высокодисперсную сажу КГО-250 (удельная поверхность 250 м2/г). Такая сажа равномерно распределяется по массе пороха, при этом она не плавится, самостоятельно не газифицируется и, вероятнее всего, не вступает в химические реакции непосредственно в к-фазе.

Эти исследования представляют интерес и для выяснения вопроса о влиянии наполнителей на формирование поверхности горения порохов и на её температуру, поскольку они (особенно гораздо более термостойкие, чем основные компоненты пороха) способны создать слой, разделяющий конденсированную и газовую зоны, а также вопроса о взаимосвязи скорости горения с температурой поверхности.

Эти вопросы являются центральными в к-фазной модели горения порохов, и в значительной степени не решенными. В частности, для изученных в [8,9] предлагаемая единая кинетика разложения к-фазы и однозначная зависимость скорости горения порохов от температуры поверхности. Напротив, данные по скорости горения и температуре поверхности горения для других порохов [10] не укладываются в указанную зависимость. Сложность решения указанных вопросов в основном обусловлена следующими обстоятельствами. Во-первых, имеется лишь ограниченное количество данных, по влиянию состава пороха на температуру поверхности и на параметры волны горения (данные по горению получены в основном для пороха Н). Во-вторых, определение самой поверхности горения и соответственно её температуры чрезвычайно сложная задача, особенно, как это подчеркивается в [11] применительно к многокомпонентным составам, когда в к-фазе происходят фазовые превращения отдельных компонентов, термическое разложение наиболее реакционноспособных

соединении, взаимодеиствие продуктов их распада с другими компонентами с образованием пор и пузырьков, в результате чего появляется тепловая неоднородность к-фазы.

Данные этих исследований могут представлять интерес и для выяснения процессов в зонах горения низкокалорииных порохов, в промежуточных продуктах горения которых образуются сажистые частицы [10]. Образцы порохов получали в лабораторных условиях, сажу в количестве 0,1, 0,3, 1,5 и 5% вводили в порох сверх 100%. Некоторые характеристики образцов представлены в табл. 1, из которои видно, что сажа снижает энергетику пороха, и тем сильнее, чем больше её содержание.

Таблица 1 — Характеристики исследованных образцов с сажей

Образец 1 2 3 4 5

% С, масс. 0 0,1 0,3 1,5 5

Ож, кДж/кг 5619 5599 5559 5322 4661

Трасч.(4МПаЬ К 3133 3130 3122 3069 2855

и, мм/с при р, МПа 2 6,2 6,3 6,5 7,5 5

3 8,1 8,7 8,7 9,6 6,4

4 9,8 10,6 10,4 11,2 8

6 13,6 14,8 13,6 14 11

8 17,2 18,4 17,3 16,4 13,7

* « & О 3 3 2 — 1,02 1,05 1,2 0,81

3 — 1,07 1,07 1,18 0,79

4 — 1,08 1,07 1,14 0,82

6 — 1,09 1 1,03 0,81

8 — 1,07 1 0,95 0,8

ис и и0 — скорость горения образца с сажей и без нее соответственно.

Скорость горения порохов определяли на бронированных образцах диаметром 7 мм и высотой ~15 мм в приборе постоянного давления (ППД) в атмосфере азота с регистрацией времени горения датчиком давления. Точность определения скорости горения ±2%.

Температурный профиль при горении образцов определяли по методике [8] с помощью вольфрам-рениевых термопар толщиной ~5 мкм. Разброс данных по температуре поверхности (Тп) составляет 1-3%, по характерным температурам в газовой фазе 2-6% и по градиенту температуры вблизи поверхности горения (ф) 4-26% в зависимости от давления.

Влияние сажи на скорость горения пороха зависит от её содержания и давления, при котором горит порох (табл. 1). Так, 0,1% сажи при давлении выше 1 МПа начинают слабо ускорять горение пороха и при 3-8 МПа прирост скорости достигает 7-9%; при дальнейшем увеличении давления влияние сажи уменьшается. 0,3% сажи до давления 4 МПа увеличивают скорость в той же степени, что и 0,1%, а выше этого давления не влияют на скорость.

1,5% сажи при давлении р < 3 МПа повышают скорость горения на ~20%. При р > 3 МПа положительное влияние сажи уменьшается и при давлении ~7 МПа сажа уже снижает скорость (на ~5%). Повышенное (5%) количество сажи только снижает скорость горения, при этом в области пониженного давления (р<3 МПа) отрицательное влияние сажи уменьшается, поэтому показатель степени V снижается от 0,78 до 0,54.

Рассмотрим теперь температурные профили в волне горения образцов. На исходных осциллограммах температура — время (Т(т)) для всех образцов имеется несколько точек, в которых происходит изменение градиента температуры. Как уже отмечалось, ключевым моментом при обработке исходных осциллограмм Т(т) является установление температуры поверхности (Тп). За Тп принимали точку характерного перегиба — изменение выпуклости кривой на вогнутость, что соответствовало выходу спая термопары из к-фазы в газовую [8]. После этого осциллограмму Т(т), зная скорость горения, перестраивали в зависимость температуры от расстояния (х) от Тп (рис. 1).

1200 1000 800 600

Опыт №3 (2,3 МПа)

Тп = 741К

у /

ф

Т

Т* /

мм

Рис. 1 — Профиль температуры вблизи поверхности горения образца с 5% сажи при давлении 2,3 МПа

На всех кривых Т(х) отмечали характерные температуры и ширину различных зон: /1 — ширина прогретого слоя к-фазы, на которой разогрев падает в е раз: Тд и 1д — температура в дымогазовой зоне (первичное пламя) и ее протяженность; ф = ^^х -градиент температуры, который использовали для расчета теплового баланса к-фазы при горении пороха, вычисляли на расстоянии 50 — 100 мкм от поверхности горения; Ттах — максимальная температура в газовой зоне; /тах — расстояние от Тп до Ттах.

-0.02

0

0.02

0.04

0.06

Таблица 2 — Средние значения параметров волны горения образцов с сажей и без нее

Параметры Р, МПа Содержание сажи, % мас.

0 1,5 5

¡1, мм 1,3 0,03 0,035 0,023

2,3 0,025 — 0,02

3,4 0,022 — 0,018

4,5 0,02 0,024 0,016

5,3 — — 0,015

Тп#, К 1,3 643 645 701 (5) 651 (3)

2,3 677 — 724 (4) 673 (3)

3,4 701 — 759 (6) 693 (3)

4,5 719 726 793 (6) 726 (5)

5,3 — — 820 (4) 741 (3)

Ф-10″4, К/см 1,3 10,9 13,6 15,7

2,3 13,6 — 17,8

3,4 16,1 — 19,6

4,5 17,8 18,5 20,8

5,3 — — 21,4

Тд, К 1,3 1350 1590 1550

2,3 1370 — 1650

¡д, мм 1,3 2,3 0,089 0,077 0,08 0,078 0,067

Тmax, К 1,3 1500 1785 1745

2,3 2330 — 2060

3,4 2425 — 2105

4,5 2430 2405 2145

5,3 — — 2260

¡max, мм 1,3 0,85 0,59 0,61

2,3 0,41 — 0,43

3,4 0,25 — 0,31

4,5 0,22 0,31 0,26

5,3 — — 0,16

П203, см /с 1,3 1,36 2 0,96

2,3 1,69 2,51 1,1

3,4 1,94 2,72 1,28

4,5 2,16 2,86 1,4

5,3 — — 1,5

Для образца с 5% сажи в скобках указано количество параллельных осциллограмм, на которых отмечены две точки перегиба.

Основные результаты обработки осциллограмм заключаются в следующем. Небольшое (0,1%) количество сажи не влияет на

температурный профиль в волне горения пороха, а 1,5 и 5% сажи существенно изменяют его. Рассмотрим вначале данные по температуре поверхности горения.

Значение Тп для образца с 1,5% сажи при исследованных давлениях примерно такие же и для образца без нее. Для образца с 5% сажи на всех исходных осциллограммах Т(т) в области предполагаемой температуры поверхности имеется точка четкого перегиба, соответствующая выходу спая термопары из к-фазы в газовую. Если её принять за Тп, то полученные значения в диапазоне давления 1,3-4,5 МПа на 58-74 К выше, чем Тп для образца без сажи.

Однако, заметим, что несколько ниже указанной точки на осциллограмме Т(т) большинства опытов можно отметить еще один перегиб, но выраженный менее четко. Его температура практически совпадает с Тп образца без сажи (табл. 2). Среднее расстояние между точками составляет 3-5 мкм.

Для объяснения полученного результата были проведены специальные исследования: видеосъемка горения образцов и электронно-микроскопическое изучение поверхности погашенных образцов пороха. Видеосъемка показала, что при горении образца с 5% сажи при давлении 0,5 МПа на поверхности горения формируется слой сажи, который затем как бы приподнимается над поверхностью, и диспергируется газами на отдельные фрагменты, т.е. границей раздела между конденсированной фазой и газовой зоной является сажистый слой. Горизонтальный участок термопары (ширина ~100 мкм, длина ~2 мм, толщина ~5 мкм) выходит в газовую зону через этот слой, верхняя граница которого имеет более высокую температуру, чем реакционный слой к-фазы. Время существования и высота этого слоя должна зависеть от давления и скорости горения.

Гашение образцов проводили следующим образом. Торцы образцов диаметром 7 мм, длиной 10 мм зачищали наждачной бумагой («0» размер) до появления ровной и гладкой поверхности. Затем образцы в тисках прижимались к тщательно отполированной медной подложке. Полученная сборка помещалась в шкаф и термостатировалась ~15-20 минут при температуре 70-80 С, после чего образец пороха поджимался в тисках к медной подложке и охлаждался в таком состоянии ~20 минут. В результате этого образец плотно прижимается к отполированной поверхности медного столика. Гашение топлива осуществлялось в ППД в атмосфере азота при заданном давлении. Медная подложка с топливом крепилась к крышке ППД таким образом, чтобы при горении отток газов был вниз и уносимые с газом частицы при погасании не попадали на загашенную поверхность. Анализ полученных данных показал, что поверхность загашенных образцов почти полностью покрыта сажистыми образованиями высотой от 4 до

15

проходя через которые спаи термопары

попадает в газовую зону .

Верхний предел по высоте сажистого слоя, полученный на фотографии поверхности погашенного образца, значительно больше среднего значения расстоянии, вычисленного по осциллограмме Т(х) между двумя точками перегиба. Это вероятно, связано с тем, что при погасании образца нарушается стационарный режим горения.

т, к

р = 1,3 МПа

1,5 % С Т m x 5 % С /ч

Тд —- ‘ \ j -‘1

if

/Л— 0 эз С

Тп

J

J.’ x, мм

Рис. 2 — Температурные профили в волне горения образцов без сажи, с 1,5% и 5% сажи при давлении р = 1,3 МПа

Теперь рассмотрим влияние сажи на температурный профиль в газовой зоне. Оно совершенно очевидно. Так, для образца без сажи при пониженном давлении (1,3 МПа) после быстрого роста температуры до ~1350 К наблюдается лишь небольшое её увеличение (до 1490 К), которая на ~360 К превышает расчетное значение температуры первичного пламени при условии, что ЫОг восстанавливается только до N0 (рис. 2). Это связано с тем, что при горении порохов и отдельных нитроэфиров при низких давлениях в первичном пламени (дымогазовая зона), кроме N0 содержится некоторое количество N2. В отличие от этого, для образца с 1,5% и 5% сажи быстрый рост температуры над поверхностью горения происходит до ~1600 К, т.е. на ~250 К выше, чем для образца без сажи. Затем температура повышается, но более медленно, до ~1800 К и становится на 370 К больше, чем для образца без сажи. N0). Можно полагать, что она является катализатором взаимодействия N0 с СО и Н2 и др. горючими. Некоторое небольшое количество сажи возможно реагирует с СО2 и Н2О в зоне до максимальной температуры, т.к. её рост от 1600 до

1860 К происходит с уменьшающейся скоростью.

Отметим, что равновесие указанных реакций с

ростом давления смещается влево, а с ростом

температуры, вправо. Но в условиях горения

образцов даже при р = 10 МПа и при температуре

1500 К отношение С0/С02 равно 10 [12].

Расчеты показывают, что для снижения

температуры на 200 К за счет реакции сажи с С02

обеспечивается при её содержании ~2,3%, т. е. на

0,8% выше, чем введено в порох. Однако, это

недостающее количество сажи может образоваться

при разложении 1% индустриального масла

(содержание углерода 0,85%) и 1% централита

(содержание углерода 0,75%).

2800 т, к

2400

1 Авторы благодарны к.т.н. Демидовой Л.А. за помощь в проведении электронномикроскопических исследований.

-0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4

Рис. 3 — Температурные профили в волне горения образцов без сажи, с 1,5% и 5% сажи при давлении р = 4,5 МПа

При более высоком (4,5 МПа) давлении 1,5% сажи до температуры ~1800 К почти не влияют на профиль, но несколько увеличивают скорость тепловыделения, так как, время достижения температуры от Тп до 1800 К для образца с сажей несколько меньше, чем для исходного пороха. Это время равно расстоянию (L*) от Тп до 1800 К, деленному на скорость движения газов, которая определяется из условий неразрывности потока: UKpK = Urpr , где индексы «к» и «г» относятся к конденсированной и газовой фазе соответственно. Плотность газа рг = ро’То/Т-i, где Т — средняя температура газов, К; р0 = Мср./22400, г/см ; Мср. вычисляли по составу газов, полученных по программе «REAL». Для сравниваемых образцов значении L* одинаковы (рис. 3), а скорость движения газов для образца с сажей в 1,14 раза выше, чем для исходного.

Выше температуры 1800 К сажа значительно уменьшает скорость тепловыделения, в результате чего максимальная температура горения (~2400 К) достигается на расстоянии в ~ 1,5 раза большем, чем для образца без сажи. Это происходит за счет того, что при температуре выше 1600 К наряду с экзотермическими реакциями протекают указанные выше эндотермические реакции с участием сажи.

Для образца с 5% сажи до Т ~1800 К наблюдается более крутой профиль по сравнению с исходным порохом (рис. 3), при этом сажа ускоряет, как и для образца с 1,5% сажи, тепловыделение в этой зоне, так как указанное расстояние L* равно 60

0.5

0.75

1.5

мкм, что в 1,33 раза меньше чем для исходного образца (80 мкм), а скорость движения газов для него в 1,23 раза меньше.

Полученные величины Ттах значительно ниже расчетных значений (табл. 1 и 2), что обусловлено теплопотерями термопарой за счет излучения [8]. Как показано в [14] при расчетной температуре горения равной ~3060К экспериментально замеренная температура на ~650 К ниже.

Теперь рассмотрим возможные причины повышения скорости горения пороха при введении в его состав 1,5% сажи. Во-первых, сажа несколько повышает значение Ф и возможно увеличивает теплопроводность зоны над поверхностью пороха за счет накопления в ней сажистых частиц. Во-вторых, для образца с сажей наблюдается некоторое расширение прогретого слоя, вероятно, за счет тепла, поступающего в к-фазу излучением. Коэффициент температуропроводности х для образца с сажей при давлении 2 МПа в 1,5 раза выше, чем для исходного пороха (табл. 2) (при этом скорость горения увеличивается на 20%), а при давлении 4,4 МПа — в 1,3 (скорость увеличивается на ~10%). Возможно, за счет этого фактора происходит небольшое увеличение скорости горения и при малом содержании сажи (0,1 и 0,3).

Рис. 4 — Температурные профили в волне горения образцов без сажи и с 5% сажи при давлении р = 2,3 МПа

5% сажи также значительно изменяют профиль волны горения исходного пороха (рис. 4). При исследованных давлениях градиент температуры (ф) над поверхностью горения (от Тп до ~1000 К) увеличивается в ~1,3 раза. Кроме того, при р = 2,3 МПа дальнейший рост температуры до ~1650 К для образца с сажей происходит гораздо быстрее, чем для исходного образца: так, расстояние, на котором это достигается, для образца с сажей в ~4 раза меньше, чем для исходного образца. Однако, в присутствии сажи дальнейшее повышение температуры (до ~2000 К) происходит с меньшей скоростью, и при давлениях 2,3, 3,4 и 4,5 МПа она достигается на расстоянии ~0,45, 0,2 и 0,1 мм, после чего температура растет очень слабо, при этом наблюдаются её небольшие колебания, вероятно, из-за налипания на спай термопары оставшихся сажистых частиц и их последующего

сброса, возможно с протеканием эндотермической реакции их с СО2 и Н2О.

Для образца без сажи после достижения температуры ~1600 К происходит быстрый её рост до максимального значения ~2400 К, которое на ~300 К выше, чем у образца с 5% сажи (расчетные температуры отличаются на 283 К).

Причины, по которым наблюдаются сильные различия между температурными профилями в газовой зоне образца без сажи и с 5% сажи были высказаны выше применительно к образцу с 1,5% сажи и заключаются в том, что сажа может как ускорять тепловыделение в газовой зоне, выполняя каталитическую роль, вероятно, в реакциях с участием N0, так и замедлять тепловыделение в результате её эндотермического взаимодействия с СО2 и Н2О.

Отметим, что образец с 5% сажи имеет даже несколько меньшее значение х, чем исходный порох. Это связано с тем, что при горении на его поверхности существует плотный сажистый слой, поглощающий излучение из высокотемпературной зоны, что исключает уширение прогретого слоя.

На основании полученных параметров волны горения образцов (табл. 2) составлен тепловой баланс к-фазы с учетом затраты тепла на испарение неразложившейся части НГЦ.

Таблица 3 — Тепловой баланс к-фазы образцов

Параметры P, МПа Содержание сажи, % масс.

0 1,5 5

qх, Дж/г 1,3 95 99 164

2,3 88 143

3,4 84 126

4,5 78 74 114

0к, Дж/г 1,3 532 533 477

2,3 512 618

3,4 520 664

4,5 545 559 519

е,% Юк/(Р^))-100 1,3 85 84 74

2,3 85 81

3,4 86 84

4,5 87 88 82

Как видно из табл. 3 для всех образцов основное количество тепла для распространения горения выделяется в к-фазе. При этом для образца с 5% сажи ввиду повышенного значения ф и меньшей скорости его горения доля тепла, поступающего из газовой зоны = (Х/ри)-ф) несколько выше, чем для исходного пороха и образца с 1,5% сажи.

Полученные данные позволяют внести дополнительные моменты в механизм катализа горения порохов. Сажа совместно с сажистыми образованиями из нитроцеллюлозы не только создает каркас, на котором накапливаются частицы

катализатора без их агломерации, но оказывает существенное каталитическое влияние на окислительно-восстановительные реакции с участием N0, но в зоне, не влияющей на скорость горения. Катализаторы же, по-видимому, ускоряют реакции с участием N02 на каркасе, непосредственно граничащим с реакционным слоем к-фазы, при этом происходит восстановление оксидов и солей свинца и меди с образованием металлических частичек, поэтому коэффициент теплопроводности каркаса значительно — в 10-15 раз превышает теплопроводность газовой зоны. В результате этого, основное количество тепла, необходимое для распространения горения поступает в к-фазу из этого каркаса, приводит к значительному увеличению скорости [7] ( вплоть до 4-5 раз). Таким образом, в этом случае ведущая реакция протекает не в к-фазе, как для пороха без катализаторов, а в зоне над поверхностью горения пороха, поэтому скорость горения слабо зависит от начальной температуры заряда [6]. Теплопроводность сажистого слоя (каркаса) без частичек металлов может лишь несколько превышать теплопроводность газа. Поэтому 5% сажи, хотя и увеличивает значение ф (на ~30%), но это не компенсирует отрицательного её влияния на тепловой эффект в к-фазе за счет её разбавления. Поэтому сажа уменьшает скорость горения на ~20%.

Выводы

1. Изучено влияние различного (0,1-5%) количества мелкодисперсной сажи КГ0-250 на закономерности горения высокоэнергетического пороха (Ож = 5619 кДж/кг).

2. Показано, что сажа в зависимости от её количества в порохе и давления, при котором происходит горение, может, как увеличивать (на 10-20% при 0,1-1,5% сажи) скорость горения, так и уменьшать её (на ~20% при 5% сажи).

3. Установлено, что 1,5 и 5% сажи оказывают существенное и сложное влияние на температурный профиль в газовой зоне, вероятно, за счет катализа экзотермических реакций с участием N0 и за счет эндотермического взаимодействия с С02 и Н20.

4. Показано, что при горении пороха над реакционным слоем к-фазы формируется слой сажи, температура верхней границы которого на ~50-80 К выше температуры реакционного слоя к-фазы. Поэтому для установления кинетических параметров ведущей реакции в к-фазе и взаимосвязи скорости горения с

величиной Тп необходимо использовать температуру реакционного слоя пороха, т. е. температуру нижней границы сажистого слоя.

Литература

1. Андросов А. С. О некоторых закономерностях влияния свинцово-медных катализаторов на скорость горения баллиститного пороха / А.С. Андросов, А.П. Денисюк, Н.П. Токарев // Физика горения и взрыва. — 1976. — Т.12, № 5. — С. 780-782.

2. О роли отдельных компонентов при катализе горения баллиститных порохов / А.С. Андросов [и др.] // Физика горения и взрыва. — 1975. — Т. 11, № 1. — С. 18-26.

3. Роль сажи при горении баллиститных порохов со свинецсодержащими катализаторами / А.П. Денисюк [и др.] // Физика горения и взрыва. — 1977. — Т. 13, № 4. -С. 576-584.

4. Денисюк, А.П. О влиянии соотношения между PbO с сажей на скорость горения баллиститного пороха / А.П. Денисюк, Т. М. Козырева, В.Г. Хубаев // Физика горения и взрыва. — 1975. — Т. 11, № 3. — С. 315-318.

5. Влияние гексогена и октогена на эффективность действия катализаторов горения баллиститных порохов / А.П. Денисюк [и др.] // Физика горения и взрыва. — 2001. — Т. 37, № 2. — С. 77-83.

6. Архипов, А.Г. Влияние катализаторов на температурный коэффициент скорости горения конденсированных систем на основе нитроцеллюлозы / А.Г. Архипов, А.П. Денисюк // Физика горения и взрыва. — 1990. — Т. 26, № 5. — С. 65-69.

7. Денисюк, А. П. Ведущая зона горения баллиститных порохов с катализаторами / А.П. Денисюк, Л.А. Демидова, В.И. Галкин // Физика горения и взрыва,

1995, Т.31, № 2, С.32-40.

8. Зенин, А.А. Изучение распределений температуры при горении конденсированных веществ: дис. … канд. физ.-мат. наук / А. А. Зенин — М.: ИХФ АН СССР. 1962. — 164 с.

9. Зенин, А. А. Процессы в зонах горения баллиститных порохов: физические процессы при горении и взрыве -М.: Атомиздат, 1980. — С. 68-105.

10. Денисюк, А.П. Особенности профиля температуры в волне горения низкокалорийных порохов / А.П. Денисюк, Е Зо Тве // Физика горения и взрыва. — 2011. -Т.47, № 2. — С. 66-73.

11. Термическое разложение и горение взрывчатых веществ и порохов / Манелис Г. Б. [и др.] — М.: Наука,

1996, — 223 с. — ISBN 5-02-001906-2.

12. Лавров, Н.В. Термодинамика реакций газификации и синтеза из газов / Н.В. Лавров, В. В. Коробов, В. И. Филиппова — М.: Изд-во АН СССР, 1960. — 100 с.

13. Денисюк, А. П. Взаимодействие углеродных материалов с пороховыми газами / А. П. Денисюк, Ю. Г. Шепелев // Физика горения и взрыва. 1989. Т. 25, № 4. -С. 25-32.

© Е Зо Тве — канд. техн. наук, докторант РХТУ им. Д.И. Менделеева, [email protected]; А. П. Денисюк — д-р техн. наук, проф., зав. каф. ХТВМС РХТУ им. Д.И. Менделеева, [email protected]; В. А. Сизов — вед. инж. той же кафедры, [email protected]

Скорость горения баллиститных порохов — Справочник химика 21

    Применение катализаторов в настоящее время является одним из распространенных методов регулирования скорости горения конденсированных систем. Для баллиститных 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 баллиститных порохов [60—62]. В работе [63] объектом исследования являлся баллиститный порох (53,7% нитроцеллюлозы, 39% нитроглицерина, 7% диэтилфталата, 0,1% сажи с размером частиц [c.285]
    Основные достоинства порохов баллиститного типа возможность широкого применения как дл Е ствольного, так и для ракетного оружия сравнительное постоянство физико-химич, и ба.л,листич. свойств орудийных порохов при их хранении довольно широкий диапазон энергетич. характеристик быстрота изготовления. Г-павные недосгатки бо.льшая количественная зависимость скорости горения в реактивных двигате.лях от темн-ры пороха и от дав.ления газа падение физико-химич, и механич. прочности ракетных пороховых цилиндров с ростом их поперечных размеров сравнительная опасность произ-ва порохов баллиститного типа. [c.184]

    На рис. У.5 приведены зкспериментальные зависимости температуры пламени от давления. Для баллиститных Дорохов температура пламени непрерывно растет с увеличением давления. При. определенном давлении Рпрея температура пламени достигает своего максимального значения, и последующее увеличение давления е приводит к заметному изменению температуры горения. Максимальная температура пламени для пороха Н равна 2340 К, пред 5 МПа для нитроклетчатки 2400 К, ЯпредЛ 5,5 МПа для пороха К — 3040 К, пред 5 МПа. Область низких давлений Яскорости химических реакций в зоне дымогазовой смеси и образования значительного количества дыма, не разложившегося до газообразных продуктов, характеризуется неполным выделением тепла и соответственно низкими температурами горения [44]. . [c.277]

    Горение этих же смесей ТНМ с бензолом было изучено и при повышенных давлениях, когда оно идет на турбулентном режиме. Одним из интересных результатов здесь оказалось влияние способа воспламенения смеси на величину скорости сгорания. Поджигание от слабо накаленной электроспирали приводило к скоростям горения в несколько (2—5) раз меньшим, чем поджигание от таблетки баллиститного пороха (рис. 117). Сравнение различных по вязкости смесей показывает, что это различие уменьшается по мере загущения системы высокополимером, а наиболее вязкие смеси практически не реагируют на способ поджигания. Объяснение этого явления, по-видимому, связано с тем, что возбуждение горения от интенсивного источника (пороховая таблетка) приводит к сильному искажению поверхности горения, [c.252]

    В частности, для баллиститных порохов при низких давлениях основную роль играет реакция в конденсированной фазе [41, 71, 240]. Прн давлении в несколько десятков атмосфер скорость горения, по-видимому, определяется реакцией в дымогазо-вой зоне [45, 240], а пламя оказывает лишь незначительное влия- [c.68]

    В работе [186] при исследовании горения смесевых ЖВВ на основе азотной кислоты также было установлено, что в области турбулентного горения скорость горения растет при увеличении диаметра сосуда. Кроме того, оказалось, что в алюминиевых трубках скорость сгорания в 2—3 раза больше, чем в трубках из пи-рекса, а в оболочках из баллиститного пороха скорости были еще выше. При исследовании горения нитроглицерина вдали от предела [191] скорость горения возрастала как изменении диаметра сосуда в интервале от 5 до 9 мм. [c.243]


    Режим беспламенного горения для баллиститных порохов был обнаружен п подробно исследован П. Ф. Похилом [41, 71]. Такой режим удается наблюдать лишь в вакууме (в сравнительно узком интервале давлений) и при повышенной начальной температуре. При этом горение является беспламенным не только в условном смысле (т. е. в том смысле, что все тепло реакции выделяется в конденсированной фазе), но и в буквальном смысле, т. е. в данном случае над поверхностью пороха не наблюдается никакого свечения даже в полной темноте. Скорость беспламенного горения пе зависит от давления (при достаточном увеличе- [c.64]

    Смесевые твердые топлива представляют собой механич. смесь горючего вещества с окислителем. В качество горючего обычно нрименяют смолы, напр, эпоксидные, полиуретановые или полиэфирные, асфальты, синтетич. каучуки, играющие одновременно роль цементатора (связки). В качестве окислителей нрименяют соединения, содержащие в своем составе большое количество кислорода (перхлорат аммония Nh5 IO4, перхлорат калия K IO4 и др.). Окислитель смешивают с горючим и добавками (стабилизаторами, катализаторами, порошкообразными металлами с высокой теплотой сгорания и др.) и из смеси готовят шашки или блоки необходимой величины. Напр., топливо американской ракеты Поларис состоит из полиуретановой смолы и перхлората аммония с добавкой до 10% алюминиевого порошка. Смесевые пороха как Р. т. лучше баллиститных из них легче готовить заряды больших размеров, у них больше теилота сгорания и уд. тяга двигателя, скорость горения меньше зависит от темп-ры и давления в камере двигателя. Уд. тяга ракетных двигателей, работающих на твердых топливах, составляет 180—ЫО кГ-сек/кг. [c.248]

    ЧТО теория в первом приближении правильно отражает. закономерности явления, а величину ср можно рассматривать как достаточно представительную характеристику устойчивости горения пористых зарядов. В то же время введение критической величины ф создает основу для дальнейшего уточнения роли различных факторов, не вошедших прямо в условие (43 ). В табл. 6 представлены средние значения критической величины ф для ряда индивидуальных веш еств и гомогенных смесей. Сюда вошли вторичные взрывчатые веш,ества, инициируюш,ее ВВ, два баллиститных пороха, Таблица построена по опубликованным результатам экспериментов. В целом она охватывает данные опытов на зарядах с относительной плотностью от 0,25 до 0,7 при относительно крупных размерах частиц, составляющих заряд от 50 до 730 мк (в том числе полидиснерсные заряды [62]). Критические значения скоростей горения лежат в пределах от 0,33 до 8 г см -сек, а давления от единиц до 750 атм [c.92]

    Температурный коэффициент скорости горения пирососхавов меньше, чем у ВВ или баллиститных порохов. [c.105]


Скорость — горение — порох

Скорость — горение — порох

Cтраница 1

Скорость горения пороха при постоянной температуре и давлении зависит в первую очередь от его состава.  [1]

Изменение скорости горения пороха при изменении его начальной температуры сравнительно мало — обычно меньше 0 5 % на градус, а часто и еще меньше. Попытка связать этот малый температурный коэффициент с энергией активации ведущей реакции приводит или к неправдоподобно малым значениям энергии активации, или к слишком высоким значениям температуры поверхности. Однако, по-видимому, такое простое рассмотрение температурной зависимости неприменимо в данном случае. Реакция идет не изотермически, а в области очень большого градиента температуры, где точное приложение концепции энергии активации становится затруднительным. Определяющей скорость горения является скорость поступления энергии к пороху; температура в реакционной зоне подстраивается так, чтобы поддерживать соответствующую скорость.  [2]

Следовательно, скорость горения пороха в общем случае зависит не только от давления, начальной температуры, скорости газового потока, но и от деформации, что учитывается при проведении внутрибаллистического расчета двигателя с зарядом, прочно скрепленным с корпусом.  [4]

Глазковой [118] скорость горения пороха Н была определена при постоянном давлении в атмосфере азота в интервале давлений от 12 до 1000 ат.  [6]

Зависимость между скоростью горения порохов и давлением р является предметом многочисленных исследований.  [7]

Недожженные угли повышают воспламеняемость и скорость горения порохов; но вместе с тем они обладают менее постоянным элементарным составом, что нежелательно, поскольку такие пороха, как, например, порох для гранатных дистанционных трубок, должны обладать равномерной и не меняющейся скоростью горения. В тех случаях, когда необходимо знать элементарный состав древесного угля, определяют углерод и водород обычным способом в трубке для сожжения, причем разность ( до Ю0 / 0) после вычитания количества золы дает содержание азота и кислорода.  [8]

Для приближенных расчетов полагаем, что скорости горения пороха внутри и снаруяш одинаковы.  [9]

В связи с тем, что давление и скорость горения пороха взаимосвязаны, изменение времени горения производилось за счет изменения давления в камере.  [11]

Именно тепловыделение в этой зоне играет важную роль в определении скорости горения пороха.  [12]

Обращает на себя внимание сильное и резкое увеличение температурного коэффициента скорости горения пороха, происходящее при температуре около 20 С.  [13]

При горении под переменным давлением, что имеет место в канале орудия, скорость горения пороха является также величиной переменной. Согласно работам Вьеля можно считать, что бездымные пороха горят концентрич.  [14]

Расчет параметров процессов, происходящих при ТГХВ, включает решение следующих задач с допущением постоянства скорости горения пороха при изменении давления, стационарности характера процесса горения, идеальности реакции соляной кислоты с породой, образовании одной вертикальной трещины высотой 0, 5 вскрытой мощности пласта.  [15]

Страницы:      1    2

Химические компоненты порохов. Поверхностные вещества. Основные характеристики порохов.

Порох может содержать различные добавки, которые существенно влияют на характеристики его горения.

Стабилизаторы.
Пироксилин как эфир азотной кислоты сам по себе представляет вещество весьма стойкое и при нормальных условиях может храниться ряд лет. Возможность разложения пироксилина обуславливается посторонними веществами, остающимися в пироксилине после нитрации и образующимися в период нитрации. К таким веществам относятся: кислоты азотная и серная, азотно-сернокислые эфиры клетчатки, эфиры азотистой кислоты и др. Кислоты удаляются из пироксилина водой, сернокислые эфиры разлагаются при кипячении в воде или слабом растворе кислоты, а эфиры азотной и азотистой кислот омыляются щелочами. Понятно, что у различных производителей стойкость пороха и содержание в нем кислот будут неодинаковы. Полностью удалить вышеназванные вещества затруднительно, поэтому основной компонент пороха — нитроцеллюлоза — разлагается при хранении с течением времени.

Применение стабилизаторов уменьшает разложение и изменение свойств пороха. Стабилизаторы реагируют с азотными парами, которые являются продуктами реакции разложения нитроцеллюлозы, их  количество составляет от 0,5 до 1 процента пороховой массы.  Наиболее используемые стабилизаторы – дифениламин (DFA), этилцентралит (ЕС) и другие централиты. Количество и состав стабилизаторов может быть выявлен методами хроматографии для определения срока годности пороха, хранимого некоторое время.

Дифениламин служит не только стабилизатором, но может являться и индикатором пригодности пороха, поскольку меняет свой цвет в зависимости от его сохранности. Так, порох с примесью дифениламина с течением времени приобретает из черно-бурого черно-зеленый цвет.
Окрашенный таким образом порох еще очень стоек, но в нем уже можно ожидать снижение баллистических качеств. Когда же его цвет из черно-зеленого переходит в красно-оранжевый, он становится совершенно негодным.

Этилцентралит. Может служить не только стабилизатором для пороха, но и являться также веществом, способным обращать пироксилин в коллоидной состояние, и с этой целью он применяется для пороха с примесью нитроглицерина.

Мочевина. Имеет щелочную реакцию, чем обуславливает повышение стойкости пироксилина, в котором она нейтрализует свободные кислоты, не удаленные промывкой. Затем мочевина вступает во взаимодействие с образовавшимися при разложении пироксилина окислами азота, давая с ними безвредные для стойкости пироксилина
вещества, углекислоту, воду и азот.

Вазелин. Также увеличивает стойкость пороха, но его действие основано на том, что он закрывает пороховые поры, вследствие чего продукты разложения пороха встречают затруднение в распространении их в толще пороховой массы.

Анилин. Применяется как стабилизатор в некоторых итальянских порохах.

Флегматизаторы.
Флегматизацией называется обработка пороха с целью увеличения времени горения его наружных слоев. Частным случаем флегматизации является способ обработки наружной поверхности пороха так, чтобы, например, порох трубчатой формы мог гореть только с внутренней поверхности, наружная же оставалась нетронутой вследствие покрытия ее слоем трудно горящего вещества. В результате достигается  прогрессивность горения, выражающаяся в том, что количество выделяющихся газов увеличивается постепенно, что дает более  равномерное распределение их давления вдоль канала ствола и позволяет получить требуемые скорости снарядов при меньшем давлении пороховых газов по сравнению с обыкновенным порохом.

Так, получить требуемую для остроконечной легкой пули калибра 7,62x54R скорость в 842,5 м/сек при среднем давлении, не превышающем 2 750 кгс/см2 (2670 бар), при заряде из пироксилинового пороха обычного типа не представлялось возможным. Поэтому пришлось изготовить такой порох, поверхностные слои которого горели бы медленно, тогда как внутренняя, часть зерна, наоборот, быстро.

Порох, на поверхности которого путем флегматизации образован медленно горящий слой, представляет собой тот тип пороха, прогрессивность горения которого зависит не столько от формы зерна, сколько от условий его обработки.

Камфара. Впервые камфару качестве флегматизирующего вещества начали применять в Германии. Раствор камфары в спирте желатинирует поверхность зерна, образуя на нем тонкий слой растворенной в камфаре пороховой массы, имеющей благодаря присутствию камфары меньшую скорость горения, чем внутренние слои пороха обыкновенного состава. Как флегматизатор, камфара является веществом, вполне удовлетворяющим своему назначению, но благодаря ее летучести при долгом хранении пороха возможны потери им своих баллистических качеств. Поэтому камфару заменяют другими нелетучими веществами, и в настоящее время она применяется реже.

Динитротолуол (травелин). Для флегматизации винтовочного пороха впервые применен на американских заводах. Порошкообразный  травелин растворяют в бензоле и перемешивают с пороховой массой. В качестве флегматизирующих веществ применяют также централит (этилцентралит, диметилдифенилмочевина), раствор слабонитрованной клетчатки, густой раствор пироксилина, смешанного с графитом, парафин, раствор мононитронафталина, смесь четыреххлористого углерода с амиловым ацетатом и др.

Мнения о наилучшем выборе флегматизатора неоднозначны.
Соглашаются на том, что он должен растворять пироксилиновый порох, образуя с ним на его поверхности медленно горящий слой, не должен обладать кислотными свойствами, не должен быть летуч и не должен понижать химической стойкости пороха.

Поверхностные вещества.
Применяются для достижения сыпучести и устранения слипания пороховых зерен. При этом порох становится более стойким к статическому электричеству, улучшаются характеристики его горения. Для этих целей обычно используются графит и этилцентралит.

Графитовка. При покрытии пороха сглаживаются заусенцы и острые углы на пороховых зернах, от чего в значительной степени увеличивается гравиметрическая плотность пороха, которая с 0,55-0,60 для неграфитованного поднимается до 0,82-0,86 и выше для графитованного. Кроме того, графитовка придает пороху способность к текучести, что позволяет производить механическую снарядку патронов отмериванием зарядов, а не отвешиванием, необходимым для неграфитованного пороха. Графитовка уменьшает способность пороха электризоваться, но делает его трудно воспламеняемым. Вес графита составляет менее 1 % от веса пороха.

Пламягасители.
Основная цель применения этих веществ состоит в том, чтобы уменьшить дульное пламя. Обычно они используются в порохах для оружия крупных калибров. В качестве пламягасителей применяют щавелевокислый калий, кислый углекислый натрий и хлористый калий.

Замедлители скорости горения и другие добавки.
В качестве замедлителей скорости горения обычно используют различные виды свинцовых солей. Другие добавки — пластификаторы, регуляторы горения, замедлители омеднения ствола, и т.д.

Основные характеристики порохов. Свойства.

Бездымные пороха нерастворимы в воде; гигроскопичность их незначительна. Однако при хранении в сыром месте влажность их повышается (до 20%), что снижает баллистические свойства. Чем больше влажность пороха, тем медленнее он горит. Удельный вес разных сортов бездымных порохов колеблется в пределах 1,55-1,63.

Температура зажжения 180-200″С. С повышением температуры
заряда скорость горения пороха увеличивается, так как уменьшается расход тепла, необходимый для его нагревания. Бездымный порох горит при температуре 2400°С и при одинаковой массе заряда выделяет в 3 раза больше газа, чем дымный порох. Бездымный порох почти не дает несгоревших остатков. Поэтому он в 3 раза сильнее дымного пороха.

Бездымные пороха обладают большой производительной мощностью. Так, 1 кг пороха при взрыве дает около 900 л пороховых газов, что позволяет развивать давление в канале ствола крупнокалиберной винтовки до 3800 бар. Например, пороховой заряд винтовочного патрона весом 3,25 г при выстреле сгорает примерно за 0,0012 с. При сгорании заряда выделяется около 3 больших калорий тепла и образуется около 3 л газов, температура которых в момент выстрела равна 2400-2900°С. Газы, будучи сильно нагретыми, оказывают высокое давление (до 290 Па) и выбрасывают пулю из канала ствола со скоростью до 900 м/с.

Качество визуально определяется только тем, насколько правильны и одинаковы по форме и размерам пороховые зерна. От этого в значительной степени зависит однообразное и закономерное образование пороховых газов при выстреле, а следовательно, и точность стрельбы. По наружному осмотру порох должен быть следующих качеств:

Пластинчатый порох.
1). Пластинки должны быть настолько правильны и ровны, чтобы приготовление зарядов из пороха не представляло затруднений.
2). Желатинизация пороха должна быть по возможности полная, а
цвет пластинок достаточно однообразен.

Трубчатый порох.
1). Срезы трубок пороха должны быть ровны и не иметь заусениц.
2). Трубки должны быть настолько правильны и ровны, чтобы приготовление зарядов не представляло затруднений.
3). Желатинизация пороха должна быть возможно полная, а цвет трубок достаточно однообразен.

Зерненый порох.
1). Продольные каналы не должны быть заклеены пороховой массой и расположены возможно правильнее.
2). Зерна должны иметь вид правильных цилиндриков, однообразных по длине, диаметру и цвету.

Бездымный порох, подожженный на открытой поверхности, горит, «как примус». На этом и основана методика проверки его годности. На сложенную уголком полоску бумаги насыпается 0,25 г пироксилинового пороха типа Сокол» тонкой грядкой длиной 5 см, конец бумажки, положенной на край ствола, поджигается и по секундомеру отмечается время сгорания. Если проба пороха сгорает менее чем за 1,8 сек, то это означает ускоренное горение, более быстрое, чем нужно для охотничьего ружья и, следовательно, непригодность пороха к использованию из-за его взрывоопасности.

Плотность заряжания.
Охотнику надо знать два понятия о плотности заряжания:
1) в нарезном оружии—это отношение веса заряда к весу воды, объем которой равен объему пороховой камеры патрона;
2) в дробовом оружии — это усилие сжатия порохового заряда картонной прокладкой и войлочными пыжами, и его размерность обычно задают единицами давления — кг/см2. Так, для пороха «Сокол», например, усилие сжатия равно 6-8 кг/см2, пороха «Сунар» и «Барс» сжимать вообще не рекомендуется, достаточно только дослать до них пыж.

В действительности, различие понятий плотности заряжания для нарезного и дробового оружия только кажущееся. И в том, и в другом случае речь идет об отношении веса порохового заряда к объему камеры сгорания.

Если в нарезном оружии камера сгорания занимает практически весь объем гильзы и само сгорание происходит относительно медленнее, то в гильзе гладкоствольного ружья достижение оптимального объема камеры сгорания требует той или иной степени уплотнения различных видов порохов. При этом не надо забывать, что с увеличением плотности заряжания быстро возрастает и скорость горения пороха. А это может вызвать разрушение канала ствола со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Чем больше давление в канале ствола оружия, тем раскаленные газы быстрее проникают в толщину пороховых зерен. Таким образом, большое давление содействует скорейшему протеканию процесса горения.

Форма, поверхность и объем пороховых зерен.
Количества газов, образующихся в единицу времени при горении зерен пороха, пропорционально их горящей поверхности. Изменение соотношения поверхности и объема пороховых зерен достигается двумя путями.

Во-первых, изменением формы — зернам придают форму пластинки, ленты, одноканальной или многоканальной трубки или цилиндра.

Во-вторых, образованием внутри зерен полостей — пор, для чего при изготовлении в пироксилин добавляют определенное количество калиевой селитры, которую после резки пороха вымывают горячей водой. Растворяясь, она оставляет и зернах пороха поры. В зависимости от требуемых характеристик пороха на 100 весовых частей пироксилина вносят 45-220 весовых частей селитры. В результате комбинации формы порохового зерна и пор в нем, горящая поверхность пороха одного и того же состава, а следовательно, и количество газов, образующихся в единицу времени, могут уменьшаться, оставаться постоянными или увеличиваться.

Пороха, поверхность зерен которых уменьшается по мере их сгорания, называются порохами дегрессивной формы. Это, например, пластинка и лента. Пороха, поверхность зерен которых при горении остается постоянной, называются порохами с постоянной поверхностью горения, например, трубка с одним каналом, цилиндр с одним каналом. Зерна такого пороха горят одновременно и внутри и с внешней поверхности. Уменьшение наружной поверхности горения возмещается увеличением внутренней поверхности, так что общая горящая поверхность остается постоянной на все время горения, если не принимать во внимание горения трубки с торцов.

Пороха, поверхность зерен которых по мере их сгорания увеличивается, называются порохами прогрессивной формы, например, трубка с несколькими каналами, цилиндр с несколькими каналами. При горении зерна такого пороха поверхность каналов увеличивается; это создает общее увеличение горящей поверхности зерна до момента распада его на части, после чего горение происходит по типу горения пороха дегрессивной формы.

Прогрессивное горение пороха, как это уже было сказано, может быть достигнуто введением в наружные слои одноканального порохового зерна различных флегматизаторов.

Чем мельче порох, тем большее давление он развивает в патроннике канала ствола, но это не всегда приводит к увеличению начальной скорости движения снаряда. Лучше, когда порох развивает меньшее начальное давление, но его среднее давление по каналу ствола выше.

Большая сила, действующая на значительном протяжении, сообщит снаряду большее ускорение, а следовательно, и большую начальную скорость.

Имеет значение и плотность заряжания, которая согласуется с физическими свойствами данного пороха. Увеличивая плотность заряжания, можно заставить крупнозернистый порох гореть быстрее и образовывать повышенные давления в канале ствола, так же как с уменьшением плотности заряжания можно снизить давление в канале ствола при горении мелкозернистого пороха.

Изменение количества газов, образующихся при горении пороха в единицу времени, оказывает влияние на характер изменения давления газов и скорости движения пули по каналу ствола. Поэтому для каждого вида патронов и оружия подбирается пороховой заряд определенного состава, формы и веса.

Трофимов В.Н., Трофимов А.В. «СОВРЕМЕННЫЕ ОХОТНИЧЬИ БОЕПРИПАСЫ для нарезного оружия. ГИЛЬЗЫ, ПОРОХА, КАПСЮЛИ, ПУЛИ, ПАТРОНЫ, ЭЛЕМЕНТЫ БАЛЛИСТИКИ»


Пороха при отрицательных температурах / Сибирский охотник

В связи с тем что основные виды охот в России проводятся в зимнее время, важнейшим параметром, характеризующим пороха и патроны, является стабильность их характеристик при отрицательных температурах. Общеизвестно, что с понижением температуры скорость горения любого пороха уменьшается, что приводит к снижению скорости полета дробового снаряда. 

В данной статье поставлена цель сравнить параметры отечественных и зарубежных порохов для патронов к гладкоствольному оружию при отрицательных температурах. 

Последнее время среди охотников бытует ошибочное мнение, что изменение температуры окружающей среды в меньшей степени влияет на баллистические характеристики иностранных порохов, чем отечественных. Попробуем разобраться в этом вопросе и выяснить, чем же отличаются пороха друг от друга?
Экспериментальные исследования и анализ литературы показывают, что рецептура отечественных и зарубежных порохов для патронов к гладкоствольному оружию практически не отличается и состоит из 97—98 % пироксилина, который является энергетической основой пороха. В оставшиеся 2—3 % входят: стабилизатор химической стойкости — дифениламин, графит, вводимый для снижения электризуемости пороха, остаточный растворитель и вода. Такие пороха принято называть пироксилиновыми или одноосновными. Большинство иностранных порохов и пороха российского производства: «Сокол», «Сунар», «Салют», «Сунар СФ», «Сунар-Магнум», «Сунар СФ-Магнум» — являются одноосновными. 

В некоторые пороха для увеличения энергетики взамен пироксилина вводится до 30 % высокоэнергетической добавки нитроглицерина (двухосновные пороха). Такие пороха также получили большое распространение, особенно в США. В Европе с двухосновными порохами работают многие фирмы, например известная итальянская фирма «Bashieri — Pellagri» (с которой активно сотрудничает российская «Селена») собирает патроны, используя двухосновные пороха МВ-32, МВ-35, M-92S и др. В России выпускаются двухосновные охотничьи пороха сферической формы: «Сунар Н», «Супер-Барс» и «Барс». Многолетний опыт разработки порохов в Государственном научно-исследовательском институте химических продуктов (ГосНИИХП) показывает, что двухосновные пороха имеют несколько худшие баллистические характеристики при использовании их в холодное время года. 

По форме отечественные пороха выпускаются в виде цилиндров с каналом, сферы и пластинки; за рубежом — в виде дисков, пластинки, сферы и, реже, цилиндрической формы. Указанные различия обусловлены сложившимися традициями изготовления пороха в разных странах. Однако форма порохового зерна не оказывает влияния на изменение баллистических характеристик при отрицательных температурах в составе патронов для гладкоствольного оружия. Это связано с тем, что в таких системах характер горения пороха в основном определяется толщиной горящего свода (для пластинки и диска это толщина порохового элемента, для цилиндра с каналом — толщина стенки цилиндра) и плотностью порохового элемента. При всем разнообразии форм порохов скорость горения пороха определяется соотношением между толщиной горящего свода и плотностью порохового зерна. С целью обеспечения требуемых баллистических характеристик охотничьих патронов скорость горения порохов разных марок, используемых в конкретном охотничьем патроне, отличается незначительно. 

Еще одним фактором, которому уделяется внимание при разработке новых порохов, является внутренняя структура пороха. Ее влияние на баллистические характеристики при отрицательных температурах проверяется на стадии отработки новых порохов и технологий и, как показывает сравнение отечественных и зарубежных порохов, их внутренняя структура практически не отличается.
Таким образом, объективно не существует предпосылок по отличию баллистических характеристик российских и зарубежных порохов при отрицательных температурах, 

Вышесказанное подтверждают результаты испытаний, проведенные на испытательной станции ГосНИИХП. Отечественный порох «Сунар» испытывался с французской гильзой с капсюлем F-616, а пороха «Сунар СФ-Магнум» и «Сунар-Магнум» в отечественной комплектации с капсюлем «Жевело-Н». Для сравнения были использованы патроны немецкой фирмы «Rottweil», снаряженные Ьдноосновны-ми порохами, и патроны «Тайга» (фирма «Селена»), собранные с использованием итальянской комплектации с капсюлем F-616 и двухосновным порохом МВ-32. Баллистические испытания проводились в соответствии с действующими стандартами. 

Из представленных данных следует, что при снижении температуры патронов до минус 30 °С значительно, на 32,2—47,7 %, уменьшается давление пороховых газов в камере и соответственно на 8,9 — 10,6 % скорость полета дробового снаряда. Несколько меньше, на 6,0—6,9 %, снижается скорость дроби патронов «Rottweil hase» и отечественных с порохом «Сунар СФ-Магнум», что связано с использованием в них древесноволокнистых пыжей, характеристики которых практически не изменяются при понижении температуры. Полученные результаты полностью соответствуют как данным, зафиксированным в ГосНИИХП ранее, так и результатам испытаний, полученным в разные годы в других организациях, профессионально занимающихся разработкой охотничьих патронов и элементов для них. 

Снижение баллистических характеристик более, чем показано в данной таблице, возможно по нескольким причинам. Во-первых, слабое поджатие порохового заряда в гильзе. Затем некачественная пластмасса, использованная для изготовления гильз и пыжей-контейнеров. В результате происходит разрушение указанных элементов патрона при выстреле в холодное время года с соответствующим резким падением характеристик патрона. И, конечно, использование капсюлей с истекшим сроком годности или зарубежных, не предназначенных для стрельбы при отрицательных температурах. 

Для получения стабильных и высоких баллистических характеристик патронов при отрицательных температурах охотникам целесообразно использовать войлочные или древесноволокнистые пыжи, а также, как рекомендовано в различных публикациях, увеличивать массу заряда на 0,1 г при падении температуры на каждые 10 °С ниже 0. При этом следует помнить, что в целях безопасности такие патроны нельзя использовать в теплое время года. Следует отметить, что производители патронов из соображений безопасности охотников не имеют права изготавливать патроны с увеличенной массой порохового заряда. Поэтому зимняя охота — это тот случай, когда охотник может собирать патроны с характеристиками, превосходящими промышленный образец.

Температура воспламенения — обзор

4.4 Температура самовоспламенения (AIT)

Температура самовоспламенения или температура воспламенения — это минимальная температура, при которой вещество в воздухе должно быть нагрето, чтобы инициировать или вызвать самоподдерживающееся горение независимо от источника нагрева. Это внешнее свойство, то есть значение зависит от экспериментального метода, который используется для его определения. Наиболее значимыми факторами, влияющими на измерение AIT, являются отношение объема к поверхности источника воспламенения (т.е., горячая проволока по сравнению с нагретой чашкой даст разные результаты). По этой причине температуры воспламенения всегда следует рассматривать как приблизительные, а не как точные характеристики материала.

Для прямых парафиновых углеводородов (например, метана, этана, пропана и т. Д.) Общепринятые температуры самовоспламенения уменьшаются по мере увеличения количества атомов углерода парафина (например, этан 540 ° C (1004 ° F) и октановое число 220 ° C (428 ° F).

Некоторые распространенные АИТ для нефтяных материалов при нормальных условиях перечислены в таблице 4.3.

Таблица 4.3. Температура самовоспламенения обычных материалов

Материал Температура самовоспламенения
° C (° F)
Гептан 204 ° C (399 ° F)
Гексан 225 ° C (437 ° F)
Пентан 260 ° C (500 ° F)
Бутан 287 ° C (550 ° F)
Пропан 450 ° C (842 ° F) )
Этан 472 ° C (882 ° F)
Водород 500 ° C (932 ° F)
Метан 537 ° C (999 ° F)

Математический метод получения общего приближения температуры воспламенения углеводородов на основе молекулярной массы пара приведен в Руководстве по противопожарной защите NFPA.В нем говорится, что температура самовоспламенения парафинового ряда углеводородов снижается с увеличением молекулярной массы вещества. Приведен рисунок, с помощью которого, если известна «средняя длина углеродной цепи», минимальная температура воспламенения может быть теоретически аппроксимирована.

Для углеводородных смесей, содержащих только парафиновые компоненты, приблизительную температуру воспламенения можно сделать, используя среднюю молекулярную массу вещества. Его можно оценить, умножив молекулярную массу каждого чистого пара на его концентрацию (т.е.е. измеренный процент) в смеси, чтобы получить среднюю молекулярную массу смеси (средняя длина углеродной цепи 0). Как только это станет известно, его можно сравнить с температурой воспламенения известного вещества с таким же весом или сделать ссылку на цифру в Справочнике по противопожарной защите NFPA. Фактический лабораторный отбор проб нескольких парафиновых смесей и их проверенных АИТ с использованием этого математического метода подтвердил, что это жизнеспособный расчетный инструмент, обеспечивающий консервативную оценку.На рисунке 4.1 представлен пример этого метода расчета. Если основные решения требуются на основе температур самовоспламенения, всегда лучше провести лабораторные испытания для определения температуры самовоспламенения.

Рисунок 4.1. Пример метода аппроксимации температуры самовоспламенения.

При общем осмотре, если большой процент парафинового газа с высокой температурой воспламенения сосуществует в смеси с парафиновым газом с низкой температурой воспламенения, можно сделать вывод, что смесь будет иметь более высокую температуру воспламенения, чем у газа с низкой температурой воспламенения. (е.г., 90% пропана, 10% гексана).

Это может быть подтверждено тем фактом, что там, где молекула высокомолекулярного углеводорода преобразуется путем горения, для поддержания реакции требуется меньше энергии, чем для молекулы, содержащей более низкую молекулярную массу (меньше энергии). Это связано с тем, что для высвобождения высокомолекулярного углеводородного вещества используется больше энергии.

Этот принцип применяется только к углеводородам с прямой цепью и не подходит, если задействованы другие типы веществ (например,г., водород).

Температуры самовоспламенения жизненно важны для проектирования технологического процесса, поскольку это температура для предотвращения или устранения легкодоступных источников воспламенения, которая указывается для некоторого заводского оборудования, например, рабочие температуры электрического оборудования, осветительных приборов и т. Д.

Пример: NGL Процентная концентрация жидкости в нижней части колонки (по результатам анализа пробы).

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности.Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Взрывоопасные свойства и кинетика горения зерновой пыли с различным размером частиц

Heliyon.2020 Март; 6 (3): e03457.

Школа разработки ресурсов, Сианьский университет архитектуры и технологий, Сиань, 710055, Китайская Народная Республика

Поступила в редакцию 14 октября 2019 г .; Пересмотрено 13 декабря 2019 г .; Принято 18 февраля 2020 г.

Это статья в открытом доступе по лицензии CC BY (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).

Эта статья цитируется в других статьях в PMC.

Abstract

Влияние размера частиц на горение и взрывоопасные свойства зерновой пыли исследуется с помощью трубки Гартмана, конусного калориметра (CC) и термогравиметрии (TG), цель которого — предоставить фундаментальные экспериментальные данные о зерновой пыли для промышленных целей. углубленное изучение его потенциального риска.Мелкозернистая пыль способствует снижению минимальной температуры воспламенения (MIT) слоя пыли и облака пыли, а также очевидному увеличению максимального давления взрыва P max (поднимается с 0,36 до 0,49 МПа) и давления скорость нарастания d P / dt (возрастает с 6,05 до 12,12 МПа с -1 ), что приводит к увеличению максимальной скорости горения ( dw / dτ ) max и показателя характеристики горения S , соответствующего больший или более серьезный потенциальный риск.Поскольку E , соответствующее горению, увеличивается с 106,05 (образец с размером частиц 180–1250 мкм) до 153,45 кДж / моль –1 для образца 80–96 мкм, процесс горения постепенно трансформируется из контролируемого диффузией в кинетически управляемый режим с уменьшением размера частиц зерновой пыли вместе с замедлением начального переходного процесса обугливания. Он определяет, что конкуренция между обугливанием и сгоранием доминирует над разложением, и сгорание преобладает для крупных частиц, в то время как обугливание контролирует горение для мелкозернистой пыли.

Ключевые слова: Энергия, Химия материалов, Биотопливо, Биомасса, Энергетическая устойчивость, Характеристики материалов, Безопасность материалов, Взрыв, Кинетика горения, Свойства тепловыделения, Интегральный метод Коутса-Редферна, Размер частиц, трубка Гартмана

1. Введение

В связи с истощением ресурсов ископаемого топлива, растущими экологическими проблемами и политическими обязательствами, устойчивое развитие стало в высшей степени многодисциплинарной областью [1], последние два десятилетия уже стали свидетелями бурного развития топливного сырья из биомассы, которое использовалось в качестве альтернатива уменьшающемуся углю.Хотя многие недостатки ограничивают его широкое применение, основные экологические, экономические и социальные преимущества, по-видимому, компенсируют технологические и другие препятствия, вызванные его неблагоприятным составом и свойствами топлива из биомассы [2]. Таким образом, кукурузному зерну постоянно уделяется все большее внимание, поскольку оно является экологически уязвимым местом, основанным на традиционной сельскохозяйственной практике «бизнес как обычно» [3]. Кроме того, остатки зерновых, являясь возобновляемым и богатым ресурсом, включают как остатки на месте, так и остатки переработки, имеют огромный потенциал для достижения более устойчивого сельского хозяйства и теоретического создания нового топливного сырья [4].Однако взвешивание зерновой пыли в производственных цехах наносит ущерб безопасности жизнедеятельности при производстве щелока и переработке крахмала, что создает потенциальную опасность пожара или взрыва из-за своей горючести и низкой плотности для образования взрывоопасного облака [5, 6, 7]. Необходимое предотвращение и контроль взрыва органической пыли очень важны для обеспечения безопасности производства и сохранности имущества, а количественные исследования потенциальных взрывоопасных свойств являются предпосылкой для разработки эффективных и действенных мер безопасности для минимизации риска для безопасности.

Следовательно, количественный анализ свойств горения и взрыва органических порошков вызывает все больший интерес, размер частиц стал прорывом в разработке конструкции подавителя. Castellanos et al. [8] проанализировали термическую стабильность кукурузного крахмала с фосфатами и определили решающую роль размера частиц в улучшении скорости ингибирования поглощения тепла. Yu et al. [9] исследовали взрывоопасные характеристики полифосфата аммония микронных порошков сополимеров акрилатов.Addai et al. [10] сравнили MIT пяти различных типов пыли и шести различных газов. Также изучалось горение пшеничного крахмала и частиц технического углерода [11]. Addai et al. [12] также утверждают, что инертные материалы с высокой насыпной плотностью не являются идеальными инертными веществами. Как правило, деградация летучих веществ и окисление полукокса в основном преобладают во всем процессе горения [13], поиск подходящего инертанта для подавления взрыва органической пыли привлекает все большее внимание, но несколько отчетов сосредоточены на взрывоопасных свойствах органической пыли.

Кроме того, пыль биомассы также показала сильную воспламеняемость, она имеет тенденцию к взрыву и легко превращается в опасность, хотя это происходит не так, как в случае угля. Различные размеры и форма органического порошка затрудняют и усложняют интерпретацию взрыва органической пыли [14, 15]. Саид и др. [16, 17] предполагают, что мелкодисперсная биомасса способствует увеличению массового сжигания с высокой скоростью пламени. Следовательно, потенциальный риск, связанный с органической пылью, включая взрыв и возгорание, представляет огромную скрытую опасность для цехов по переработке пыли [5, 6, 7].Предварительное исследование обычной или нетронутой органической пыли необходимо для расширения механизма горения и взрыва, что полезно для получения некоторых основных экспериментальных данных при проектировании защиты от взрыва пыли.

Однако данных о кинетике горения и взрывоопасных характеристиках зерновой пыли недостаточно, чтобы способствовать всесторонним исследованиям. Следовательно, используя зерновой порошок цеха по производству пива в качестве исследовательской цели, приближающей к реалистичному сценарию, влияние размера частиц на минимальную температуру воспламенения (MIT) измеряется на основе экспериментального слоя пыли и облака пыли, нижнего предела взрываемости (LEL ), теплоотдача и динамические характеристики проверяются трубкой Гартмана, коническим калориметром и термогравиметрией (ТГ) соответственно.Он нацелен на исследование свойств горения и взрыва зерновой пыли, побуждая ее перерабатывать в качестве нового топливного сырья и уменьшая риски, связанные с ее безопасностью. Кроме того, механизм горения биомассы находится на начальной стадии, количественный анализ зернового порошка отсутствует, применяется интегральный метод Коутса-Редферна, чтобы в первую очередь проиллюстрировать кинетику горения. Новизна статьи заключается в совмещении расчета характеристик горения с кинетикой горения одновременно, что устанавливает эффективный метод количественного анализа пылевзрывов органических порошков.

2. Материалы и методы

2.1. Сырье

Первозданный порошок, состоящий из зерен и половы, был собран из системы пылеудаления на пивоварне Сиань в провинции Шэньси, Китай, в основном он состоял из солодовой пыли, рисовой пыли и небольшого количества золы. как показано на, представлены характеристики высокой летучести, низкой LHV и низкого уровня связанного углерода. Образец зерновой пыли с различным размером частиц просеивали через стандартное сито, которое получали просеиванием 80 меш (180–1250 мкм), 100 меш (154–180 мкм), 120 меш (120–154 мкм), 140 меш. (109–120 мкм), 160 меш (109–96 мкм) и 180 меш (80–96 мкм) соответственно.Кривая распределения первичной зерновой пыли была построена методом гауссовой аппроксимации, остатки сита служили целью исследования.

Таблица 1

Приблизительный и окончательный анализ первичной зерновой пыли.

902 900 первозданной зерновой пыли.

2.2. Характеристики

MIT слоя зерновой пыли толщиной 5 мм и облака пыли регистрировали тестерами, изготовленными в Северо-восточном университете Китая, в соответствии со стандартами GB / T 16430-1996 и GB / T 16429-1996, соответственно.Концентрация НПВ, скорость нарастания давления взрыва d P / dt и максимальное давление взрыва P max были измерены с помощью трубки Хартмана на 1,2 л. Аффилированная электронная система сбора данных использовалась для записи параметров взрывчатых веществ в реальном времени, которые могли преобразовывать давление в значение напряжения для получения параметров взрывчатых веществ в реальном времени. Условия эксперимента проводились при 29 ° C, время задержки воспламенения 8 с, давление напыляемого порошка составляло 0.5–0,6 МПа с погрешностью 0,01 МПа для P max .

Конусный калориметр (CC, ZY6243, Zhongnuo instrument company, Китай) использовался для регистрации характеристики тепловыделения в реальном времени в соответствии с ISO-5660-1-2015. Каждый образец состоял из 9 симметрично цилиндрических блинов диаметром 2 см и высотой 3 мм, которые были изготовлены на ручном гидроформовочном прессе с давлением 0,3 МПа и завернуты в алюминиевую фольгу. Параметры тепловыделения образцов были рассчитаны на основе среднего значения 3 определений со стандартным отклонением <10% при внешнем тепловом потоке 35 кВт · м −2 (приблизительно 600 ° C), включая время до воспламенения (TTI). , пиковая скорость тепловыделения (p-HRR) и время до p-HRR (t p ).Кроме того, для оценки эффективности горения использовались два важных индекса — индекса огнестойкости (FPI, FPI = TTI / p-HRR) и индекса роста возгорания (FGI, FGI = p-HRR / t p ). Кроме того, неизотермическая кинетика горения была рассчитана с помощью анализатора TG (Mettler, Германия) в условиях искусственного воздуха в процессе нагрева 50–600 ° C со скоростью нагрева 20 ° C · мин -1 .

3. Результат и анализ

3.1. MIT

раскрывает, что MIT образца слоя пыли / облака уменьшается с уменьшением размера, что способствует диффузии и проникновению кислорода, что приводит к уменьшению MIT.Однако MIT сохраняет то же самое при дальнейшем уменьшении размера частиц (160 меш), что указывает на то, что горение не только регулируется концентрацией кислорода, хотя мелкая пыль может улавливать и вмещать больше O 2 из воздуха. Между тем, MIT пылевого облака намного выше, чем у слоя пыли, это может быть приписано более низкой теплопроводности воздуха, поскольку взвешенные частицы в сосуде представляют собой пылевое облако, что приводит к медленному повышению температуры поверхности пыли.

Таблица 2

MIT образцов и сырья.

Элементный анализ /%
Промышленный анализ (сушка)
Элемент C H O N Прочие Углеродистый углерод /% Влажность /% Зола /% Летучие /% LHV / (МДж.кг -1 )
Содержание 43,82 5,83 43,36 2,48 4,51 13,86 7,76 5,43 72,974 5,43 72,974
Образцы Форма Сырье 80 меш 100 меш 120 меш 140 меш 160 меш 180 меш
MIT / ° C Облако 480 ± 2 490 ± 2 470 ± 2 450 ± 2 440 ± 2 430 ± 2 430 ± 2
Слой 135 ± 2 140 ± 2 135 ± 2 130 ± 2 130 ± 2 130 ± 2 130 ± 2

3.2. Взрывоопасность проверена трубкой Хартмана

Обнаружено небольшое изменение максимального давления взрыва P max , но скорость повышения давления d P / dt падает с увеличением размера частиц, как показано на, в то время как LEL увеличивается, это означает, что реакционная способность зерновой пыли ослабевает с увеличением размера частиц. Поскольку увеличение удельной поверхности способствует проникновению O 2 вместе с более высокой поверхностной энергией из-за мелкой пыли.Это приводит к увеличению вероятности дефлаграции, о чем свидетельствует увеличение значений P max и d P / dt. Это согласуется с выводом о том, что минимальная энергия воспламенения имеет тенденцию иметь более низкие значения при уменьшении размера частиц [18, 19]. По механизму «пиролиз-улетучивание» [13, 20] уменьшение размера частиц ускоряет пиролиз гемицеллюлозы и приводит к увеличению содержания горючего газа. Когда мелкая пыль состоит только из C, H, O и N, она испаряется до того, как достигнет фронта пламени, и образует хорошо перемешанный топливный газ, содержащий O 2 , что способствует возникновению взрыва пыли.Однако неорганические минералы в зернистых частицах изменяют процесс, образуя границу или барьер, в результате чего испарение не заканчивается до достижения фронта пламени. Как следствие, зерновая пыль частично испаряется и локально образует богатый топливом газ, что приводит к ослаблению взрыва.

Таблица 3

Параметры взрыва пробы зерновой пыли.

18025 сетка 8,73 ± 0,2
Образцы НПВ / г · м −3 P макс. / МПа d P / dt / МПа · с −1
50∼58.33 0,49 ± 0,01 12,15 ± 0,2
160 меш 58,33∼66,67 0,45 ± 0,01 9,35 ± 0,2
140 меш 64∼71,48 0,43 ± 0,01
120 меш 75∼83,33 0,42 ± 0,01 7,33 ± 0,1
100 меш 116,67∼125 0,41 ± 0,01 7,28 ± 0,1
Сетка 141.67∼150 0,36 ± 0,01 6,05 ± 0,1

3.3. Свойство тепловыделения

Скорость тепловыделения зерновой пыли представляет собой два пика, как показано на: первый пик приписывается газам и летучим веществам, полученным в результате быстрого разложения гемицеллюлозы [21], одновременный обугленный слой постепенно экранирует пламя, приводя к небольшое снижение ЧСС. А затем начальное обугливание трескается и вызывает второй огромный пик в условиях непрерывного нагрева, который включает несгоревшую зерновую пыль, остатки целлюлозы и лигнина.Наконец, после горения в КУ наблюдается не явление послесвечения, а плотный слой полукокса на поверхности образца [22], свидетельствующий о быстром обугливании. Особенность двойного пика становится отчетливой для пыли с размером частиц 120–154 мкм. Благодаря усилению обугливания быстро образующийся слой угля эффективно препятствует передаче тепла и массы. Однако для образца с размером частиц 80–96 мкм появляется широкий и смещенный вправо пик, что может быть вызвано тем, что быстрое обугливание полностью покрывает зерновой блин в начале горения, аккумулирует энергию и блокирует проникновение О 2 .Тем не менее, дополнительные летучие вещества, образующиеся при разложении зерновой пыли, выбегают из поверхностной оболочки полукокса и вызывают сильный пробой, когда накопленная энергия превышает критическое значение, представляя единый и широкий пик тепловыделения.

HRR зерновой пыли разной крупности.

Кратко описывается свойство тепловыделения порошка зерна, THR и потеря веса падают с уменьшением размера частиц, в то время как TTI и t p увеличиваются из-за увеличения теплоемкости и замедления начального переходного обугливания Образец размером 80–96 мкм, что приводит к перекрытию пиков тепловыделения гемицеллюлозы и целлюлозы.Кроме того, увеличенному FPI и уменьшенному FGI приписывается повышенная огнестойкость для образца с размером частиц 80–96 мкм [23]. Однако значение p-HRR демонстрирует незначительные изменения, подразумевая, что максимальная интенсивность излучения пламени мелкой пыли остается такой же, как и у крупной частицы.

Таблица 4

Теплоотдающие свойства зернового порошка с различными размерами частиц.

Образцы THR / кДж TTI / s t p / s p-HRR / кДж · м −2 FPI / s · м 2 кВт — 1 FGI / кВт · м −2 · с −1
80 меш 376.62 ± 7 69 ± 1 169 ± 1 60,67 ± 2 1,14 0,36
120 меш 344,47 ± 7 83 ± 1 202 ± 1 60,21 ± 2 1,38 0,30
180 меш 307,89 ± 6 93 ± 1 307 ± 1 61,76 ± 2 1,51 0,20

3,4. Характеристики и кинетика горения

3.4.1. Характеристики горения

Характеристики горения образцов содержат индекс воспламенения D i [24, 25] и комплексный показатель характеристики горения S [26], которые рассчитываются по формулам (1), (2), (3) соответственно.

( dw / dτ ) max — максимальная скорость горения, которая также обозначается как DTG max ,% · min -1 ; T i и T p , определенные методом TG / DTG, относятся к температуре воспламенения и пиковой температуре соответственно, K.

S = (dw / dτ) max (dw / dτ) meanTi2Tf

(2)

Среднее значение (dw / dτ) рассчитывается по формуле (3), соответствующей средней скорости горения, τ — время , мин; T f — температура выгорания с потерей веса 95%, K.

(dw / dτ) mean = wl (Tf − T0) / VT

(3)

The wl в формуле (3 ) равно отношению отклонения к исходной массе, отклонение представляет собой изменение массы между исходной массой и конечной массой образцов после нагрева от 50 ° C до 600 ° C.T 0 — начальная температура нагрева 323 K, V T — скорость нагрева 20 ° C мин. -1 .

T i , S , (dw / dτ) mean , DTG max и D i поднимаются с уменьшением размера частиц в, подразумевает интенсивную возможность дефлаграции, и DTG max значительно улучшен, который увеличивается с 9,47 до 16,63% · min -1 .В сочетании с замедлителем T i и уменьшенным T f он проверяет наличие сильного горения для мелкой пыли размером 80–96 мкм.

Таблица 5

Характеристические параметры горения зерновой пыли разной крупности.

18019 902 902
Образцы T i / K T p / K T f / K DTG max /% · min -1 S × 10 −7 ) D i (× 10 −5 ) (dw / dτ) среднее % · min −1
80 меш 520 ± 2 574 ± 1 746 ± 2 9.47 1,52 3,17 3,23
120 меш 533 ± 2 581 ± 1 747 ± 2 11,22 1,74 3,62 3,29
550 ± 2 583 ± 1 738 ± 2 16,63 2,50 5,19 3,36
3.4.2. Кинетика горения

Согласно литературным источникам [27, 28], согласно кривым ДТГ процесс горения зерновой пыли можно разделить на следующие четыре стадии: испарение влаги (50–151 ° C), пиролиз и горение гемицеллюлозы. (151–239 ° C), пиролиз и сжигание целлюлозы (239–335 ° C), а также пиролиз и сжигание лигнина (335–525 ° C).Из-за низкого содержания лигнина в образце (около 15% [29]) пик потери массы, соответствующий лигнину, практически отсутствует. Поскольку целлюлоза представляет собой высокомолекулярное соединение с длинными линейными цепями, состоящими из D-глюкозильной группы, частичная целлюлоза имеет кристаллическую структуру, состоящую из упорядоченных микрофибрилл, что приводит к термическому разложению более трудным, чем гемицеллюлоза [27]. Более высокая способность аккумулирования тепла, обусловленная уменьшением размера частиц, вызывает перекрытие кривых DTG гемицеллюлозы и целлюлозы, представляет убывающий пик гемицеллюлозы и лигнина, в то время как усиленный пик целлюлозы, что согласуется с результатами HRR.

TG / DTG зерновой пыли разного размера, включая (a) 80 меш, (b) 120 меш, (c) 180 меш и (d) DTG.

Динамика горения образцов анализируется по формулам (4), (5), (6) согласно интегральному методу Коутса-Редферна с реакцией первого порядка с учетом значения R 2 , результаты перечислены в.

dαdT = Aβexp (−ERT) f (α)

(5)

ln [G (α) T2] = ln (ARβE) −ERT

(6)

Таблица 6

Кинетические параметры горения образцы разных размеров.

0,95 0,95 226,9 ° C ~ 282,4 ° C 2,2 0.99 меш 188,7 ° C 0.95
Образцы Температура E / кДж · моль −1 lg A / s −1 Adjust. R 2
80 меш ∼188,7 ° C 4,41 -2,9 0,99
188,7∼226,9 ° C 44,4 0
0
60,12 2,5 0.95
282,4 ° C∼360,1 ° C 106,05 10,5 0,98
360,1 ° C∼537,3 ° C 11,43 0 0,84
20 120 меш 188,7 ° C 6,36 -3,1 0,99
188,7∼226,9 ° C 36,36 0 0,92
226,9 ° C∼282,4 ° C 5520,65
282,4 ° C∼360,1 ° C 119,58 11,7 0,99
360,1 ° C∼537,3 ° C 34,92 0 0,99
180 ∼ 2,85 -3,1 0,99
188,7∼226,9 ° C 18,93 0 0,87
226,9 ° C∼282,4 ° C 4520,84
282,4 ° C∼360,1 ° C 153,45 10,3 0,99
360,1 ° C∼537,4 ° C 10,23 0 0,89

Скорость потери веса α рассчитывается по уравнению α = (m 0 -m t ) / (m 0 -m f ) (m 0 — начальный вес, m t — действительный время массы пыли, а m f обозначает окончательно оставшуюся массу).N — это порядок реакции: 1, 2, 3…. A — предэкспоненциальный множитель, min -1 ; E — энергия активации, кДж · моль -1 . R — универсальная газовая постоянная, кДж · (моль · К) -1 . β — скорость нагрева 20 ° C мин. -1 . T — абсолютная температура, K. G (α) рассчитывается по уравнению G (α) = ∫0αdαf (α), а A, E и n вычисляются путем построения графика ln [G (α) / T 2 ] против 1 / Т.

Поскольку температура воспламенения всех образцов колеблется от 240 ° C до 270 ° C, механизм его горения относится к статическому проницаемому диффузионному горению, процесс горения начинается с воспламенения.Реакция горения зерновой пыли в основном происходит при температуре 282,4–360,1 ° C, и коэффициенты линейной корреляции аппроксимирующих кривых находятся в непосредственной близости к 1. Энергия активации реакции E , соответствующая горению, увеличивается с 106,05 (образец 180–1250 мкм) до 153,45 кДж / моль -1 , это указывает на более высокий энергетический барьер для горения для мелкодисперсного образца, чем для крупных частиц, горение постепенно трансформируется из контролируемой диффузией в кинетически управляемую реакцию с уменьшением размера частиц.

4. Обсуждение

Хорошо известно, что зерновой порошок содержит неорганические элементы, такие как натрий, калий, кальций и силикаты, минеральные вещества могут создавать усиленный углеродистый слой на поверхности пыли, который ограничивает доступ кислорода и замедляет процесс воспламенения. [5, 30]. Поскольку натрий и калий, входящие в состав зерновой пыли, понижают температуру плавления золы [31, 32, 33, 34], а определенное количество SiO 2 запускает шлакообразование и вызывает образование обугливания [35], что приводит к к эффекту блокировки распространения пламени горения и увеличению температуры воспламенения и MIT.

Согласно приведенному выше анализу экспериментальных данных можно получить следующий механизм. Горючие летучие компоненты в зерновой пыли поглощают тепло и превращаются в горючий газ при нагревании, во-первых, который может реагировать с O 2 и генерировать пламя; а затем частично поверхностная пыль превращается в углеродсодержащий защитный слой, в то время как внутренний горючий газ, образующийся в результате пиролиза горючих летучих веществ, непрерывно диффундирует к поверхности, частица быстро охватывается пламенем.Следовательно, из-за повышения способности аккумулировать тепло, резкое выделение накопленного тепла усиливает пробой, когда летучее давление превышает критическое значение, что косвенно приводит к очевидному повышению на P max и d P / dt. Об этом свидетельствует увеличенный DTG max для мелкозернистой пыли размером 180 меш. Между тем, быстро возрастающая температура внешнего слоя облегчает и ускоряет обугливание внутренней зернистой пыли, что приводит к увеличению энергии активации.Ли и др. [36] обнаружили, что скорость пламени алюминиевой пыли будет увеличиваться, а горение будет переходить из режима, контролируемого диффузией, в режим, управляемый кинетикой, с уменьшением размера частиц. Помимо улучшения D i и S с уменьшением размера частиц зерновой пыли, наше исследование определяет, что процесс горения сначала ускоряется с увеличением концентрации кислорода, а затем с эффектом блокировки из-за Обуглившись с уменьшающимся размером частиц, он переходит из режима, контролируемого диффузией, в режим, контролируемый кинетикой.Как правило, конкуренция между обугливанием и горением доминирует в процессе разложения зерновой пыли, и горение преобладает для крупных частиц, в то время как обугливание контролирует горение для мелкой пыли.

Несоответствие между HRR и параметром характеристики горения заключается в фокусах вариантов, TTI и p-HRR имеют решающее значение для оценки эффективности пожаробезопасности, в то время как DTG max определяет свойства горения. То есть первоначальное кратковременное обугливание обеспечивает более высокую эффективность огнезащиты, но последующее усовершенствование DTG max способствует сильному перекрытию или дефлаграции с катастрофическим риском.Таким образом, HRR вряд ли соответствует характеристикам горения, первая фокусируется на конечном результате горения, а вторая в реальном времени контролирует все горение. Следовательно, для эффективной оценки характеристик сгорания рекомендуется сочетание этих двух методов.

Кроме того, представленные результаты показывают нечеткие изменения для MIT и P max между самым высоким и самым низким исследованным размером частиц. Тем не менее, главный параметр относится к взрыву пыли как dP / dt, который содержит потенциальную опасность и легко приводит к повреждению, несчастным случаям или травмам. предотвращение и борьба с пылевзрывом, а не дальнейшие теоретические исследования.Кроме того, предлагается новый метод количественного анализа, объединяющий расчет характеристик горения CC с кинетикой горения. Он открывает комплексный метод оценки взрыва зерновой пыли и расширяет базу данных методов для оценки риска обычной обработки пыли.

Хотя параметры горючести и взрывоопасности зерновой пыли исследуются, микроструктура и ее химическая связь нуждаются в дальнейших исследованиях в будущем. Кинетика горения предварительно изучает механизм горения, что подтверждается результатами КК и ТГ.Однако взаимодействие между поверхностным углеродистым слоем и лежащей под ним зерновой пылью, влияние второстепенных минеральных элементов, входящих в состав зерновой пыли, и конфигурация зерновой пыли занимают обширные исследовательские пространства.

5. Выводы

Предварительное исследование влияния размера частиц на горючие и взрывоопасные свойства зерновой пыли исследуется, чтобы предоставить некоторые основные экспериментальные данные в конструкции безопасности по предотвращению и контролю взрыва пыли, CC и TG: использованы для иллюстрации механизмов кинетики горения в первую очередь, и сделаны следующие выводы.

  • (1)

    P max и d P / dt увеличиваются с 0,36 до 0,49 МПа и с 6,05 до 12,12 МПа с −1 соответственно, когда размер частиц пыли уменьшается с 80 до 180 меш. Это демонстрирует, что конкуренция между обугливанием и горением доминирует над разложением зерновой пыли, а горение преобладает для крупных частиц, в то время как обугливание контролирует горение для мелкодисперсной пыли.

  • (2)

    E горения, рассчитанное интегральным методом Коутса-Редферна, возрастает от 106.05 (образец 180–1250 мкм) до 153,45 кДж моль -1 для образца с размером частиц 80–96 мкм. Это показывает, что процесс горения трансформируется из контролируемой диффузией в кинетически управляемую реакцию с уменьшением размера частиц пыли.

  • (3)

    Это проясняет, что HRR вряд ли соответствует показателю характеристики горения, проверенному TG, приписывается другому критерию оценки, первый фокусируется на конечном результате горения, а последний реально своевременно контролирует все горение .Но для эффективной оценки характеристик сгорания рекомендуется сочетание этих двух методов.

Заявления

Заявление автора о вкладе

ЦзянПин Чжао: задумал и спроектировал эксперименты; Проанализировал и интерпретировал данные.

GongFan Tang: Провел эксперименты; Проанализировал и интерпретировал данные; Предоставленные реагенты, материалы, инструменты анализа или данные.

YaChao Wang: Предоставленные реагенты, материалы, инструменты анализа или данные; Написал газету.

Yujiu Han: Предоставил реагенты, материалы, инструменты анализа или данные.

Отчет о финансировании

Авторы искренне признательны за финансовую поддержку Китайского совета по стипендиям (номер CSC 201808610034).

Заявление о конкурирующих интересах

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Дополнительная информация

Дополнительная информация для этого документа недоступна.

Список литературы

1. Дхиани В., Бхаскар Т. Комплексный обзор пиролиза лигноцеллюлозной биомассы.Обновить. Энергия. 2017: 1-22. [Google Scholar] 2. Василев С.В., Васильева С.Г., Васильев В.С. Преимущества и недостатки состава и свойств биомассы по сравнению с углем: обзор. Топливо. 2015; 158: 330–350. [Google Scholar] 3. Урбаниец К., Микулчич Х., Розен М.А., Дуйч Н. Целостный подход к устойчивому развитию энергетических, водных и экологических систем. J. Clean. Prod. 2017; 155: 1–11. [Google Scholar] 4. Паудель С.Р., Банджара С.П., Чой О.К., Пак К.Ю., Ким Ю.М., Ли Дж. У. Предварительная обработка сельскохозяйственной биомассы для анаэробного сбраживания: современное состояние и проблемы.Биоресурсы. Technol. 2017; 245: 1194–1205. [PubMed] [Google Scholar] 5. Фернандес-Анез Н., Слаттер Д.Дж.Ф., Саид М.А., Филакту Х.Н., Эндрюс Г.Э., Гарсия-Торрент Дж. Чувствительность к воспламенению смесей твердого топлива. Топливо. 2018; 223: 451–461. [Google Scholar] 6. Адэ Н., Коирала Ю., Маннан М. На пути к изначально более безопасной биотехнологической промышленности: обзор. J. Loss Prev. Процесс. Ind.2019; 60: 125–132. [Google Scholar] 7. Хуан К., Чен Х., Юань Б., Чжан Х., Дай, Хэ Х. Подавление взрыва древесной пыли ультратонким гидроксидом магния.J. Hazard Mater. 2019; 378: 120723. [PubMed] [Google Scholar] 8. Кастелланос Д., Левандовски А., Диас Агустин, Мехиа А.Ф., Каррето В., Машуга С. Влияние размера частиц и уровня кристаллов на эффективность ингибиторов взрыва пыли. Ind. Eng. Chem. Res. 2014. 53 (28): 11527–11537. [Google Scholar] 9. Yu Y., Li Y., Zhang Q., Ni W., Jiang J. Экспериментальное исследование инертирующего эффекта кристаллического полифосфата аммония II типа на характеристики взрыва микронной пыли сополимеров акрилатов.J. Hazard Mater. 2018; 344: 558–565. [PubMed] [Google Scholar] 10. Аддаи Э.К., Габель Д., Краузе Ю. Модели для оценки минимальной температуры воспламенения пыли и гибридных смесей. J. Hazard Mater. 2015; 304: 73–83. [PubMed] [Google Scholar] 11. Серрано Дж., Пико П., Амин М., Пинилла А., Торрадо Д., Мурильо С. Экспериментальное исследование и исследование с помощью CFD-DEM дисперсии и горения пшеничного крахмала и частиц сажи во время стандартного теста сферы объемом 20 л. J. Loss Prev. Процесс. Инд.2020; 63: 103995. [Google Scholar] 12.Аддаи Э.К., Габель Д., Краузе У. Экспериментальные исследования минимальной энергии воспламенения и минимальной температуры воспламенения смесей инертных и горючих пылевых облаков. J. Hazard Mater. 2016; 307: 302–311. [PubMed] [Google Scholar] 13. Лопесгонзалес Д., Авалосрамирес А., Гироирфендлер А., Годбоут С., Фернандеслопес М., Санчесилва Л. Исследование кинетики горения древесных и травянистых культур с помощью термического анализа в сочетании с масс-спектрометрией. Энергия. 2015; 90: 1626–1635. [Google Scholar] 14. Чжан Дж., Сюй П., Сун Л., Чжан В., Цзинь Дж. Влияющие факторы и статистический метод описания параметров взрыва пыли: обзор. J. Loss Prev. Процесс. Инд.2018; 56: 386–401. [Google Scholar] 15. Мурильо К., Дюфо О., Бардин-Монье Н., Лопес О., Муньос Ф., Перрин Л. Взрывы пыли: моделирование CFD как инструмент для характеристики соответствующих параметров дисперсии пыли. Chem. Англ. Sci. 2013. 104 (50): 103–116. [Google Scholar] 16. Саид М.А., Анез Н.Ф., Эндрюс Г.Э., Филакту Х.Н., Гиббс Б.М. Горючие свойства паровой взорванной древесины сосны в зависимости от размера частиц.Топливо. 2017; 194: 527–532. [Google Scholar] 17. Саид М.А., Анез Н.Ф., Эндрюс Г.Э., Филакту Х.Н., Гиббс Б.М. Данные о скорости пламени и реактивности K st для измельченных кукурузных початков и скорлупы арахиса. J. Loss Prev. Процесс. Инди 2017; 49: 880–887. [Google Scholar] 18. Бидабади М., Хаджилу М., Поорфар А.К., Йосефи С.Х., Задсирджан С. Моделирование распространения пламени микронных частиц железной пыли в средах с пространственно дискретными источниками. Огненный саф. J. 2014; 69: 111–116. [Google Scholar] 19. Бидабади М., Мохебби М., Поорфар А.К., Хохгреб С., Лин С.Х., Биуки С.А. Моделирование расстояния гашения и скорости распространения пламени через облако железной пыли с пространственно случайным распределением частиц. J. Loss Prev. Процесс. Инд. 2016; 43: 138–146. [Google Scholar] 20. Гао В., Моги Т., Сан Дж., Ю. Дж., Добаши Р. Влияние распределения частиц по размерам на механизм распространения пламени при взрывах октадеканоловой пыли. Пудра Технол. 2013. 249 (249): 168–174. [Google Scholar] 21. Клэкстон Л.Д. История, генотоксичность и канцерогенность углеродсодержащих топлив и их выбросов: 1.принципы и предыстория. Мутат. Res. Преподобный Мутат. Res. 2014. 762 (24): 76–107. [PubMed] [Google Scholar] 22. Фанг Ф., Чен Х., Чжан Х., Ченг К., Сяо Д., Мэн Ю. Экологически безопасное сборное многослойное покрытие для огнестойкой и антимикробной хлопчатобумажной ткани. Прог. Орг. Покрытие. 2016; 90: 258–266. [Google Scholar] 23. Wang Y.C., Zhao J.P. Безупречный дизайн и оценка кинетики пиролиза вспучивающейся системы на основе полиэфирной смолы, состоящей из активированного щелочами микрокремнезема. Прог. Орг. Покрытие.2018; 122: 30–37. [Google Scholar] 24. Чжан Ю., Го Ю., Ченг Ф., Ян К., Цао Ю. Исследование характеристик горения и кинетики угольной пустой породы с различными свойствами сырья с помощью термогравиметрического анализа. Термохим. Acta. 2015; 614 (8): 137–148. [Google Scholar] 25. Chen Z., Hu M., Zhu X., Guo D., Liu S., Hu Z. Характеристики и кинетическое исследование пиролиза пяти лигноцеллюлозной биомассы с помощью термогравиметрического анализа. Биоресурсы. Technol. 2015; 192: 441–450. [PubMed] [Google Scholar] 26.Цай З., Ма Х., Фанг С., Ю. З., Лин Ю. Термогравиметрический анализ совместного сжигания остатков эвкалипта и шлама бумажных фабрик. Прил. Therm. Англ. 2016; 106: 938–943. [Google Scholar] 27. Ма З.К., Чен Д.Ю., Гу Дж., Бао Б.Ф., Чжан К.С. Определение характеристик пиролиза и кинетики оболочки ядра пальмы с использованием TGA-FTIR и безмодельных интегральных методов. Energy Convers. Manag. 2015; 89: 251–259. [Google Scholar] 28. Эльсайед С.А., Мостафа М.Э. Определение характеристик пиролиза и кинетических параметров топливных порошков биомассы методом дифференциального термогравиметрического анализа (ТГА / ДТГ) Energy Convers.Manag. 2014. 85 (85): 165–172. [Google Scholar] 29. Сунь Ю., Ченг Дж. Гидролиз лигноцеллюлозных материалов для производства этанола: обзор. Биоресурсы. Technol. 2002; 83 (1): 1–11. [PubMed] [Google Scholar] 30. Васильев С.В., Васильева К.Г. Состав, свойства и проблемы биомассы водорослей для использования в качестве биотоплива: обзор. Топливо. 2016; 181: 1–33. [Google Scholar] 31. Базарган А., Гебрегзиабер Т., Хуэй К.В., Маккей Г. Влияние щелочной обработки на содержание влаги в рисовой шелухе и кинетику сушки.Биомасса Биоэнергетика. 2014; 70: 468–475. [Google Scholar] 32. Саху С.Г., Чакраборти Н., Саркар П. Совместное сжигание угля и биомассы: обзор. Обновить. Поддерживать. Energy Rev.2014; 39 (6): 575–586. [Google Scholar] 33. Хирабаяси Ю., Чжан М. Свойства плавления и трансформации неорганических компонентов в золе биомассы. Топливо. 2014. 117 (1): 1281–1287. [Google Scholar] 34. Сунь З., Шен Дж.З., Цзинь Б.С., Вэй Л.Ю. Характеристики горения хлопкового стебля в fbc. Биомасса Биоэнергетика. 2010. 34 (5): 761–770. [Google Scholar] 35.Базарган А., Базарган М., Маккей Г. Оптимизация предварительной обработки рисовой шелухи для производства энергии. Обновить. Энергия. 2015; 77: 512–520. [Google Scholar] 36. Ли К., Ван К., Чжэн Й., Мэй Х., Лин Б. Взрывоопасность мелкой алюминиевой пыли и ее свойства распространения пламени в сферическом сосуде объемом 20 л. Пудра Технол. 2016; 301: 1299–1308. [Google Scholar]

Экспериментальное исследование взрывов серной пыли постоянного объема

Пламя пыли изучается на протяжении десятилетий из-за их важности в промышленная безопасность и предотвращение несчастных случаев.В последнее время пыльное пламя стало многообещающим кандидатом для противодействия биологической войне. Сера, в частности, является одним из элементов, представляющих интерес, но пламя серной пыли до конца не изучено. Температура пламени и Скорость пламени измерялась для пламени серы с концентрацией частиц 280 и 560 г / м 3 и концентрацией кислорода от 10% до 42% по объему. Температура пламени увеличивалась с увеличением концентрации кислорода от примерно 900 К для случаев с 10% -ным содержанием кислорода до температур, превышающих 2000 К в условиях обогащения кислородом.Также наблюдалось небольшое повышение температуры с увеличением концентрации частиц. Наблюдалось увеличение скорости пламени с приблизительно 10 см / с с 10% кислорода до 57 и 81 см / с с 42% кислорода для случаев 280 и 560 г / м 3 соответственно. Масштабный анализ показал, что пламя, горящее в 21% и 42% кислорода, ограничено диффузией. Наконец, было определено, что данные давление-время, вероятно, могут быть использованы для измерения скорости пламени при взрывах пыли постоянного объема.

1.Введение

Горение облака серной пыли является потенциальным кандидатом на противодействие биологическому оружию. Серная пыль использовалась как пестицид [1]. Однако более интригующий аспект облаков серной пыли состоит в том, что они производят оксиды серы, которые являются химическими предшественниками серной кислоты [1]. Хорошо известно, что серная кислота чрезвычайно агрессивна и опасна для живых организмов. Идея состоит в том, что горящие облака серы будут производить оксиды серы. В присутствии воды может образоваться серная кислота.Считается, что образовавшаяся серная кислота в сочетании с повышенными температурами и производимым ультрафиолетовым излучением убьет споры. Было показано, что другие сильные кислоты обладают спорицидной тенденцией [2].

В последние годы изучались составы для применения в биоразрушении. Механические сплавы алюминия и йода [3, 4], а также термиты из пятиокиси алюминия и йода были изучены [5] и показали их эффективность в уничтожении биологических спор, по крайней мере частично, за счет выделения йода.С этой целью исследовались и другие механические сплавы титана и бора [3, 6, 7].

По сути, пламя серной пыли уникально. Сера — одна из двух элементарных видов пыли, продукты сгорания которой при стандартных условиях (298 К, ​​1 атм) являются газообразными, а другой — углеродом. В отличие от углерода, температуры плавления и кипения серы намного ниже, чем температура адиабатического пламени пламени сера-воздух. Эта комбинация факторов обеспечивает условия для пылевого пламени с потенциально сильным газофазным компонентом.

На сегодняшний день очень мало исследований посвящено изучению облаков серной пыли. Ограниченная работа Пруста [8] о пламени серной пыли — одна из немногих, в которых это делается; тем не менее, эта работа предоставила мало подробностей о механизме горения. Таким образом, основная цель текущей работы состоит в том, чтобы измерить фундаментальные аспекты горения облака серной пыли с точки зрения фундаментальных величин (например, скорости пламени) и получить представление о задействованных физических и химических механизмах. Кроме того, исследуется использование данных давления-времени от взрывов пыли постоянного объема для определения скорости пламени.

2. Экспериментальные методы

В данном исследовании используется кубическая камера объемом 31 л для максимального оптического доступа. Пять сторон (включая дверь) имеют акриловые окна с круглыми смотровыми площадками диаметром 6,7 мм. Каждое окно крепится к стенке камеры с помощью трубного фланца 6-го размера. Порты для датчиков газа, вакуума и давления расположены сверху и по бокам камеры. Используется пьезорезистивный датчик давления Kulite (XTM-190-250G), а сигналы обрабатываются кондиционером Endevco PR Conditioner модели 106.Внизу (шестая сторона) пять портов диаметром 1 дюйм. Один порт расположен в центре, а остальные четыре находятся на расстоянии 3 дюймов от центра, каждый в разном направлении (то есть влево, вправо, спереди и сзади). Один смещенный от центра порт используется для ввода проволоки для источника зажигания.

Порт в центре камеры имеет сопло с сорока отверстиями диаметром 0,889 мм (сверло № 65) под углом 45 градусов. Инжектор твердых частиц, состоящий из двух частей, установлен под центральным портом камеры.Первая деталь крепится к камере винтами In-20. Он содержит порт сбоку, который присоединяется к линии сжатого воздуха, и трубку из нержавеющей стали, которая проходит к центру и изогнута на 90 градусов вниз. Порошок помещается в алюминиевый держатель с коническим дном (от сверла диаметром 1 дюйм), который крепится ко второй части инжектора. Центрированное колено дюймовой трубки направляет поток воздуха вниз в держатель порошка. Взрыв под давлением отскакивает от дна порошкового держателя и уносит частицы вверх через сопло в камеру.Камера герметизирована уплотнительными кольцами на окнах, форсунке и двери. Дополнительные описания камеры приведены в [9].

Использовали порошок серы (-325 меш) от Alfa Aesar. Анализ размера частиц проводили с использованием сканирующего электронного микроскопа Jeol 6060LV (SEM). Частицы имели средний диаметр 22,4 мкм при среднем диаметре по Заутеру 30,4 мкм. Средство против слеживания, Aerosil 200 (Evonik), использовалось для улучшения характеристик диспергирования серы. По данным производителя, средний диаметр порошка Aerosil 200 составлял 12 нм.Распределение по размерам не измеряли, так как частицы были слишком маленькими, чтобы их можно было разрешить с помощью SEM. Серу смешивали с 1% Aerosil 200 по массе в низкоэнергетическом барабане в течение 3 часов. Было обнаружено, что добавление агента, предотвращающего слеживание, оказывает заметное влияние на текучесть и диспергирование серы. Более подробная информация о выборе антислеживающего агента приведена в [9].

В инжектор поместили известную массу смеси серы. Массу порошка, оставшегося в инжекторе после испытания, измеряли для определения фактического количества впрыснутого порошка.Зажимы типа «крокодил» на штырях зажигания удерживали воспламенитель в центре камеры. Воспламенитель мощностью 4 Дж (перемычка, покрытая пирогеном, Estes) использовался для инициирования горения. Заряд зажигали путем разряда конденсатора емкостью 1 Ф при 4000 В от пожарной установки RISI (модель FS-43).

Перед испытанием в камере был установлен вакуум и давление было немного ниже атмосферного (2 дюйма рт. Для впрыскивания порошка использовался выброс воздуха 100 фунтов на кв. Дюйм.Инъекция длилась в общей сложности одну секунду при постоянном давлении. Возгорание произошло через 400 мс после окончания закачки, что позволило сформировать однородное облако и рассеять турбулентность.

Время воспламенения определялось путем анализа двумерных измерений концентрации частиц. Эти измерения лазерной экстинкции предоставили количественную информацию о том, как концентрация частиц изменялась во времени и пространстве. Интенсивность пикселей из изображений, полученных до впрыска порошка, была усреднена и использована в качестве интенсивности падающего излучения в Законе Бирса:

. Интенсивность каждого пикселя в последующих изображениях позволила определить концентрацию частиц, поскольку эффективность экстинкции () из теории Ми были известны средний диаметр Заутера, длина пути (355 мм) и плотность серы.Среднее арифметическое и стандартное отклонение концентрации частиц для всех пикселей были рассчитаны, чтобы обеспечить статистический анализ однородности облака. Время воспламенения принималось как момент времени, когда пространственно усредненная концентрация приближалась к ожидаемому значению (основанному на количестве впрыснутого порошка), а стандартное отклонение приближалось к минимуму или уменьшалось.

Этот метод также обеспечил визуальное свидетельство рассеяния турбулентности. Хотя турбулентность никогда напрямую не измерялась, считается, что это количественное измерение концентрации частиц дает достаточное представление о процессе нагнетания.Более того, все экспериментальные условия в этой работе имеют одинаковые условия впрыска и зажигания (например, задержка зажигания и противодавление впрыска). Сравнение результатов для каждого условия должно увидеть минимальное влияние турбулентности. Читателю предлагается обратиться к [9] для получения дополнительных сведений и обсуждения этих измерений.

2.1. Диагностика

Измерения скорости пламени проводились с помощью ионизационных датчиков, аналогично работе Наира и Гупты [10], но применялись к пламени пыли, а не к изученному ими газообразному пламени.Два из смещенных от центра отверстия диаметром 1 использовались для пропуска проводов для ионизационных зондов, где провода заканчивались коннектором термопары R-типа (Omega). Две вольфрамовые проволоки диаметром 0,01 пропускались через трубку из оксида алюминия с внешним диаметром и двумя отверстиями. Примерно дюйм каждого провода выходит за пределы керамической трубки. Другой конец каждого провода был присоединен к дополнительному разъему термопары. Расположение ионизационных зондов показано на рисунке 1, где относительное расположение двух гребенок ионизационных зондов было выбрано для получения информации о симметрии пламени.Расстояние между зондами в каждой гребенке составляло мм.


Сигналы регистрировались с помощью пары осциллографов Picoscope 4424, которые собирали 200 000 выборок за 2-секундный период. Пара следов ионизационного зонда от серного пламени показана на рисунке 3. Время, когда первое падение напряжения достигало минимума для каждого следа, принималось за время, когда фронт пламени достигал зонда. Лазерный теневой снимок качественно подтвердил это прибытие, как показано на рисунке 2. Красная кривая указывает местоположение фронта пламени.Эта особенность достигла ионизационного зонда в то же самое время (то есть в пределах временного разрешения камеры) следа напряжения от ионизационного зонда (Рисунок 3). Измерение теневой диаграммы также предоставило качественную информацию о форме пламени. Хотя участки фронта гладкие, фронт пламени не симметричен. Причина этого, вероятно, заключается в сочетании остаточной турбулентности и естественной конвекции.



Показанное на рисунке 3 было использовано для расчета скорости пламени.Неопределенность номинального значения была связана с каждым измерением, что в основном связано с измерением времени прибытия. Поправки к плотности рассчитывались с использованием Cantera [11] и механизма SOx из Университета Лидса [12].

Измерения температуры проводились с помощью термопар и пирометрии. Термопары (50 мкм, м R-типа, Omega part P13R-002) были покрыты тонким слоем аэрозольной краски из оксида алюминия (ZYP Coating, A аэрозоль) для минимизации каталитических эффектов.Термопары были прикреплены к разъемам внутри камеры взрыва пыли таким же образом, как и ранее описанные ионизационные зонды. Удлинительный провод термопары был подключен к системе сбора данных (DAQ) Omega (часть OMB-DAQ-3005). Температура измерялась каждые 100 мк 9 1137 с в течение первых 2 секунд каждого теста. Система сбора данных запускалась импульсом TTL, генерируемым генератором задержки. В измерения вносились поправки на радиационные и кондуктивные потери.

Пирометрия измеряет температуру конденсированных фаз путем сравнения теплового фона с уравнением Планка (с учетом коэффициента излучения).Трехцветный пирометр использовался для получения информации о температуре с временным разрешением путем мониторинга излучения на длинах волн 700, 825 и 900 нм. Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) Hamamatsu R928 использовались для каналов 700 и 825 нм, а ФЭУ R636-10 использовались для канала 900 нм. Свет собирался в тройной оптоволоконный кабель, где каждая из трех ветвей шла к разному ФЭУ. Счетверенный предусилитель Stanford Research System (SRS) 300 МГц (SRS модель SR445) приводил в соответствие каждый сигнал перед записью с помощью Picoscope.

Спектрометр Ocean Optics Jaz с волоконно-оптической связью также использовался для пирометрических измерений. Этот спектрометр регистрирует спектры от 200 до 870 нм. Однако из-за спектральных особенностей от ультрафиолета и от ультрафиолета до видимой области спектра для определения температуры конденсированной фазы использовалось только тепловое излучение в диапазоне от 600 до 850 нм. Калибровка интенсивности для обоих устройств проводилась с помощью вольфрамовой лампы (Ocean Optics LS Cal 1) с известной спектральной интенсивностью для исследуемых спектральных областей.

3. Результаты и обсуждение

Измерения повышения давления, температуры и скорости пламени были выполнены для 6 различных условий. Были использованы две различные концентрации смеси серы / антислеживающего агента (280 и 560 г / м 3 ) и три различные концентрации кислорода (10, 21 и 42% по объему). Оставшийся остаток газа составлял азот. Стехиометрические условия составляли 280 г / м 3 в 21% -ном кислороде и 560 г / м 3 в 42% -ном кислороде. Выбор этих условий был основан на рассмотрении заявки (т.е. горение на воздухе) и способность изолировать эффекты концентрации частиц и стехиометрии. Из-за сложности создания пламени при более низких концентрациях частиц использование этих концентраций не позволяло. Склонность серы к агломерации, особенно при более высоких концентрациях серы, дает верхний предел используемых концентраций частиц. Более подробно проблема агломерации рассмотрена в [9].

3.1. Данные по давлению

Типичная кривая зависимости давления от времени и ее первая временная производная показаны на рисунке 4.Максимальный рост давления показан на рисунке 5 вместе с теоретическим максимальным ростом давления и был определен по программе NASA CEA [13] при постоянном объеме. Было замечено, что рост давления увеличивается с концентрацией частиц и увеличением концентрации кислорода. Эти данные согласуются с работой Кэшдоллара [14] после масштабирования их данных о давлении для учета различных объемов камеры между объектами, используемыми в каждом соответствующем исследовании.



Условия 560 г / м 3 в среде 21% кислорода привели к повышению давления, превышающему максимальное давление.Этот результат может быть связан с оседанием частиц из-за увеличения агломерации во время эксперимента. Об увеличении агломераций при более высоких загрузках частиц сообщалось в [9]. Если из суспензии выпадут дополнительные частицы, это приблизит эквивалентное отношение к стехиометрическому для этих условий. Максимальное давление увеличится и приблизится к значению, наблюдаемому при более низкой загрузке частиц. Аналогичный эффект осаждения частиц следует ожидать для условий 10% и 42% кислорода.Разница в максимальном росте давления на 10% незначительна, поскольку максимальные теоретические подъемы давления практически идентичны. Рисунок 5 показывает, что максимальное давление (пунктирные линии) в случае обогащенного кислородом было бы ниже, если бы осаждение частиц увеличивалось. Это уменьшение согласуется с тем, что наблюдалось экспериментально. Для всех этих условий сложно количественно оценить, насколько должно измениться давление теоретически, поскольку фактическая масса осевших частиц неизвестна.

Было видно, что максимальная скорость повышения давления, рис. 6, монотонно увеличивается с концентрацией кислорода. Для концентраций кислорода выше по объему скорость повышения давления тем выше, чем выше концентрация частиц. Скорость повышения давления показывает, насколько быстро отводится тепло. Важность этой величины будет видна в (2), где скорость максимального повышения давления прямо пропорциональна скорости пламени.


3.2. Достоверность данных «давление-время» для измерения скорости пламени

Данные «давление-время» также могут использоваться для определения скорости пламени.Дахо и де Гоуи [15] проанализировали взрывы постоянного объема (не обязательно взрывы пыли) с термодинамической точки зрения, чтобы связать данные давление-время со скоростью ламинарного пламени. Это уравнение показано где и — мгновенное давление, и — начальное и максимальное давления, соответственно, и — сферический эквивалентный радиус, принимаемый за радиус сферы того же объема, что и камера, использованная в текущем исследовании. Отношение удельных теплоемкостей принималось постоянным (и приблизительно равным 1.4 здесь из-за использования воздуха), и — ламинарная скорость пламени. Анализ, проведенный Дахо и де Гоуи [15] по этому методу, включал дополнительное предположение о линейной зависимости от давления массовой сгоревшей фракции (3). Работа Luijten et al. [16] использовали многозонный подход для разработки более строгого определения для, хотя оно здесь не показано из-за его длины.

Вывод (2) основан на идеальных предположениях, которые на практике могут не соответствовать действительности для взрывов пыли.Они заключаются в следующем: (1) Камера хорошо изолирована и предполагается, что она заполнена реагентами, которые идеально перемешаны и застаиваются. (2) Смесь воспламеняется из центра, и образующийся фронт пламени имеет сферическую форму, бесконечно тонкий и без складок. (3) Фронт пламени разделяет камеру на две области: сгоревший и несгоревший газы, где смеси внутри каждой зоны однородны (например, по составу и температуре). (4) Поскольку камера имеет фиксированный объем и тепло не может вытечь из-за хорошо утепленных стен, давление повышается из-за подвода тепла.Более того, горячие продукты сгорания внутри сферического пламени будут расширяться, изоэнтропически сжимая несгоревший газ.

Две концентрации смеси серы были испытаны, чтобы определить, подходит ли использование данных давления-времени для измерения скорости пламени при взрывах пыли. Концентрация, близкая к стехиометрической, г / м 3 и состояние с высоким содержанием топлива г / м 3 были воспламенены на воздухе пиротехническим воспламенителем. Выделение энергии воспламенителем не оказало существенного влияния на измерения [9].Неопределенность в концентрации связана с распределением измеренной массы впрыснутого порошка.

Две гребенки ионизационных зондов, описанные выше, использовались для непосредственного измерения скорости распространения пламени и сравнения со значениями, рассчитанными по формулам (2) и (3). Расчетная скорость пламени, основанная на данных «давление-время», показанных на рисунке 4, отображается на рисунке 7.


Расчетная скорость ламинарного пламени первоначально значительно колеблется из-за низкого отношения сигнал / шум сигнала датчика давления.Эти колебания затухают по мере повышения давления. Несмотря на колебательный характер, каждая расчетная кривая колебалась вокруг постоянного значения до момента, когда достигается максимум. Время максимальной скорости повышения давления показано вертикальными линиями на рисунках 4 и 7. Скорость ламинарного пламени из данных о давлении была принята как средняя скорость от 20 мс после воспламенения до времени, когда было достигнуто. Время 20 мс использовалось для ограничения влияния низкого отношения сигнал / шум данных давления очень близко к моменту воспламенения.Снижение скорости ламинарного пламени после этого также наблюдалось Santhanam et al. [17]. Причина уменьшения скорости пламени, скорее всего, связана с потерями тепла. Когда пламя приближается к стенкам сосуда, дополнительное тепло теряется на стенках, температура которых близка к комнатной. Скорость повышения давления, которая связана со скоростью тепловыделения, уменьшается, потому что часть этой энергии поглощается стенками камеры. Скорость повышения давления пропорциональна скорости пламени (см. (2)), так что наблюдается уменьшение скорости пламени.Анализ первичного режима теплопередачи от пламени обсуждается в следующем разделе.

3.2.1. Анализ потерь тепла

Считалось, что снижение скорости пламени после этого связано с потерями тепла. С увеличением количества теплового излучения от пыльного пламени необходимо определить важность различных режимов теплопередачи, в частности теплопроводности и излучения.

Количество энергии, потерянной стенками камеры, трудно определить количественно из-за сложности проблемы.Однако относительную важность проводимости по сравнению с потерями на излучение можно проанализировать качественно. Отношение теплопроводных потерь к радиационным (4) было аппроксимировано для различных температур пламени и местоположения (т. Е. Расстояния между пламенем и стенкой), где — теплопроводность, — коэффициент излучения, — постоянная Стефана-Больцмана, — расстояние между пламенем и стеной, а — температура в месте, обозначенном нижним индексом. Переменной является соотношение площади поверхности частиц в пламени и площади передней поверхности пламени.Поскольку коэффициент излучения порошка неизвестен, отношение тепловых потерь было рассчитано как функция коэффициента излучения. На рисунке 8 показаны результаты этих расчетов. Рассмотрим


Расчетные отношения, показанные на рисунке 8, предполагали, что отношение площади поверхности частицы к площади пламени равно единице. Это предположение нереально, поскольку частицы составляют лишь часть фронта пламени при заданной толщине пламени. Величина может быть определена с использованием геометрических соображений, среднего диаметра частиц и толщины пламени.Santhanam et al. [17] рассчитали толщину пламени пламени алюминиевой пыли, умножив скорость пламени на время горения отдельной частицы Al. Эта же оценка является более сложной для серной пыли, поскольку время горения отдельной частицы неизвестно. Будет обсуждаться влияние толщины пламени.

Высокие температуры и большие значения излучательной способности способствуют потерям тепла с преобладанием излучения, чего и следовало ожидать, поскольку тепловое излучение зависит от этих двух параметров.Для большинства условий в этом наборе расчетов излучение либо доминирует, либо сравнимо с проводимостью, как показано на рисунке 8. Однако, когда учитывается фактическая площадь поверхности частиц по сравнению с фронтом пламени, значение уменьшается с единицы до приблизительно 0,35 и 0,038 при толщине пламени 1 и 10 мм соответственно. Этот фактор будет определять отношение от (4) к проводимости. Следовательно, если толщина пламени на самом деле составляет порядка нескольких миллиметров или больше, маловероятно, что наблюдаемое снижение расчетной скорости пламени будет обусловлено преобладанием радиационных потерь, если только коэффициент излучения, температура и диаметр пламени (т.е.е., вплотную к стене) большие. Хотя для точного определения толщины пламени требуется дополнительная информация, это открытие все же имеет значение. В тепловых потерях от пламени серной пыли не может преобладать радиация, что противоречит тому, что было сделано в отношении других пыльных пламен (например, Al), где продукт также является твердым [17].

3.2.2. Обсуждение

Измеренные скорости пламени в ходе всех испытаний для обоих методов измерения показаны на рисунке 9. Наблюдается большой разброс данных для обеих концентраций.Считается, что наблюдаемый диапазон скоростей пламени, по крайней мере, частично связан с турбулентностью, которая осталась в системе после процесса впрыска. Было замечено, что скорости пламени, измеренные в каждом направлении для одного эксперимента, в некоторых случаях изменялись более чем на 50%. Более того, были случаи, когда сигналы от двух датчиков в одной паре указывали, что пламя появилось одновременно. Это наблюдение, вероятно, связано с тем, что пламя приближается к паре ионизационных датчиков сбоку, а не в лоб, как можно было бы ожидать от сферического пламени.Эта точка зрения дополнительно подтверждается асимметрией, наблюдаемой сильно нерегулярным фронтом, наблюдаемым с помощью теневых изображений [9].


Расчетные скорости ламинарного пламени на основе данных давления и ионизационных датчиков показаны на рисунке 9. Видно разумное согласие между двумя методами измерения. Скорости пламени, указанные Прустом [8], были приблизительно ниже, чем стехиометрическая скорость пламени, измеренная в данной работе. Этот результат предполагает, что может использовать данные давление-время для оценки скорости ламинарного пламени.Измеренные здесь более высокие скорости пламени, вероятно, частично связаны с повышенной турбулентностью здесь, хотя это трудно доказать без каких-либо сомнений, поскольку уровень турбулентности не измерялся ни в одном исследовании. Естественная конвекция потенциально также сыграла свою роль. Горящие частицы серы производят горячие газы, которые, конечно, поднимутся вверх. Затем восходящая тяга будет искажать фронт пламени, потенциально увеличивая площадь поверхности. Доказательства эффекта естественной конвекции можно наблюдать на рисунке 2, где пламя явно распространяется вверх больше, чем вниз.

Следовательно, использование этого метода для определения ламинарной скорости пламени несколько неуместно из-за того, как турбулентность и естественная конвекция влияют на форму пламени. Он лучше представляет скорость пламени эквивалентного сферического пламени с той же скоростью расхода массы. При этом данные давления-времени действительно обеспечивают измерение скорости пламени на основе степени турбулентности. Этот результат должен по-прежнему позволять сравнивать пламя в различных условиях, пока степень турбулентности остается постоянной (т.е., параметры впрыска, задержка зажигания и энергия).

3.3. Температура пламени

Температуру пламени серы измеряли термопарой и пирометрией. Оба измерения использовались для определения максимальной температуры. Термопара обеспечивала пиковую температуру локально, в то время как пирометрические измерения указывали пиковую температуру в поле зрения пирометра. Пространственно интегрированный сигнал пирометрии всегда смещен в сторону наиболее горячих областей из-за сильной зависимости температуры от интенсивности теплового излучения.Данные пирометрии были собраны с помощью 3-цветного пирометра PMT и спектрометра Jaz Ocean Optics. Следует отметить, что использовались только сигналы 825 нм и 905 нм, поскольку канал 700 нм не обеспечивал достаточный уровень сигнала. Время интегрирования всех данных, собранных спектрометром, составляло 10 мс.

Типичные кривые данных с временным разрешением, предоставленные пирометром ФЭУ, показаны на рисунке 10 с расчетной температурой с использованием приближения серого тела. Ранний пик, показанный на Рисунке 10, был вызван излучением пиротехнического воспламенителя.Было замечено, что максимальная температура от взрыва серы произошла примерно в то время, когда скорость повышения давления была максимальной. Пиковая температура регистрировалась для каждого эксперимента.


На рисунке 11 показан спектр, снятый спектрометром Jaz. Серое тело считалось наиболее подходящим допущением для спектральной излучательной способности, потому что это или может не подходить для всех материалов [18], а также из-за больших оптических глубин, создаваемых пылевым облаком [19]. Измеренные пиковые температуры пирометром и термопарами показаны на Рисунке 12.Только данные термопары были получены из тестов 10% кислорода, потому что сигналы пирометрии были очень слабыми и намного ниже уровня шума. Пирометр PMT использовался только для 21% из-за спектральной интерференции около 900 нм, когда уровень кислорода был увеличен до 42% по объему. Тепловой фон от спектрометра Jaz соответствовал каждому тесту в условиях обогащения кислородом. Таким образом, для этих условий не было получено данных с временным разрешением.



Пунктирными линиями показаны максимальные температуры пламени, рассчитанные в условиях равновесия.Температуру регулировали с учетом тепла, поглощаемого противослеживающим агентом. Это изменение температуры было минимальным (обычно менее 10 К). Следует отметить, что эта корректировка является приближением первого порядка, поскольку она не включает в себя равновесный состав, который необходимо пересчитать при конечной температуре.

Было замечено, что пиковая температура постоянно увеличивалась для более низкой концентрации частиц от приблизительно 800 K до приблизительно 1300 K для измерений с помощью термопары (с поправкой на радиационные потери) по мере увеличения содержания кислорода с 10% до 42%.Повышение температуры с 21% до 42% кислорода по результатам пирометрических измерений было намного больше, поскольку максимальная температура превышала 2000 К. Эта большая разница, вероятно, связана с тем фактом, что измерения пирометрии смещены в сторону самых высоких температур в пределах области измерений. вид, пока термопары измеряют местную температуру.

Большая разница температур между измерениями пирометрии и термопары также наблюдалась для тестов 21% и 42% кислорода при более высокой загрузке частиц.Наблюдалось повышение температуры с загрузкой частиц для всех концентраций кислорода. Средняя пиковая температура для случая 10% кислорода была самой низкой из условий для испытаний 560 г / м 3 при 909 К.

Повышение температуры при увеличении концентрации кислорода, вероятно, было связано с количеством энергии, выделяемой в каждое условие. Данные по давлению показали, что максимальное повышение давления (т.е. тепловыделение), рис. 5, увеличивалось с концентрацией кислорода.

3.4. Скорость пламени

Поскольку данные давления и времени были определены как точный способ измерения скорости пламени внутри взрывной камеры постоянного объема, было решено использовать эту диагностику для определения того, как концентрации частиц и кислорода влияют на скорость пламени. Тот же подход, который использовался для определения скорости пламени, как обсуждалось выше, был применен к другим условиям. Данные для всех концентраций частиц и кислорода приведены на рисунке 13.


Отдельные точки данных для случая кислорода были отображены в предыдущем разделе (см. Рисунок 9).Средние значения при этой концентрации кислорода также включают дополнительные точки данных, полученные после завершения этой части работы. Наблюдалось монотонное увеличение скорости пламени с увеличением концентрации кислорода. Аналогичная тенденция показана на рисунке 6 для данных. Поскольку скорость пламени была рассчитана на основе данных о давлении (и масштабируется), ожидается, что будет наблюдаться аналогичная зависимость. Для данной концентрации кислорода условия более высокой загрузки частиц (то есть более высокая степень эквивалентности) имеют более высокую скорость пламени.

4. Обсуждение механизма горения

Газофазные выбросы оксидов серы и, как сообщается в [9], предполагают, что сера имеет газофазный компонент, но степень химического состава газовой фазы неизвестна. Однако данные ничего не говорят об ограничивающем процессе (ах) во время горения, а именно о том, горит ли сера кинетически или диффузионно ограниченным образом.

4.1. Анализ числа Damköhler

Вычисление ключевого числа Damköhler поможет в этом обсуждении.Это число Дамкелера представляет собой отношение шкалы химического и диффузионного времени. Химическая шкала времени была определена путем моделирования адиабатического реактора постоянного объема с идеальным перемешиванием (PSR) с механизмом из Университета Лидса [12]. В качестве начальных условий использовались соотношения серы, кислорода и азота, которые присутствовали в камере после закачки при атмосферном давлении. Для начала реакции необходима начальная температура 1300 К. Шаг по времени был установлен на 1 микросекунду.Химические временные шкалы были взяты как время, за которое температура снизится с 10% до 90% от общего изменения температуры. Изменение температуры представляло собой разницу от 1300 К до температуры адиабатического пламени.

Масштаб времени диффузии обратно пропорционален коэффициенту диффузии, который был рассчитан по кинетической теории [20]. Коэффициент бинарной диффузии кислорода через азот был рассчитан с использованием измеренных пиковых температур. Коэффициент диффузии изменяется как и.Из-за этого масштабирования, даже если бы температура увеличилась на 1700 K (доведя температуру до примерно 3100 K, температуры адиабатического пламени, для самых горячих измеренных условий), шкала времени диффузии уменьшилась бы только примерно в раз. 2.8. Точно так же, если бы учитывалась диффузия двух других видов, помимо и (то есть,, и), шкала времени диффузии изменилась бы менее чем в 2 раза (увеличение или уменьшение). Следовательно, коэффициент диффузии существенно не изменится (т.е.е., на порядок) для смесей соединений серы, кислорода и азота. Для этого расчета давление было принято равным 1 атм. Причина этого предположения заключалась в том, что в то время, когда фронт пламени проходил через термопары и ионизационные зонды, давление внутри камеры существенно не повышалось.

Рассчитанные числа Дамкелера относятся друг к другу (т.е.не абсолютны), чтобы исключить проблемы с подходящей областью, которую следует использовать для обезразмеривания значения, и поскольку максимальное давление существенно не изменяется (т.е., менее чем на порядок). Числа, приведенные в таблице 1, нормализованы к значению 21% для каждой соответствующей концентрации частиц, так что отдельные значения не имеют значения, но относительное изменение имеет важное значение.


O 2 O 2 O 2

280 г / м .12 1,00 0,48
560 г / м 3 0,80 1,00 7,00

Значительное увеличение (т. Е. На порядок) ) в виде увеличения концентрации кислорода с 10% до 21% для более низкой концентрации частиц. Аналогичное увеличение наблюдается для концентрации 560 г / м 3 3 , когда содержание кислорода увеличивается с 21% до 42%.Это увеличение говорит о том, что по мере увеличения концентрации кислорода диффузия становится все более важной, что на первый взгляд кажется нелогичным. Учитывая, что изменилось не только количество кислорода, этот результат оправдан. Температура также увеличилась, и это влияет на химию более существенно, чем диффузия (т.е. экспоненциально по сравнению с). Показатель температуры (1.65) включает температурную зависимость из интеграла столкновений [21]. Более интригующий аспект этого наблюдения заключается в том, что для обеих нагрузок частиц диффузия становится более важной по мере того, как пламя переходит от богатых топливом условий к стехиометрическим.Стехиометрия для концентраций 280 г / м 3 и 560 г / м 3 соответствует концентрации кислорода 21% и 42% по объему соответственно.

4.2. Анализ масштабирования скорости пламени

Вышеупомянутое обсуждение только предоставило понимание того, как пламя в каждом состоянии горит относительно друг друга. Анализ скорости и температуры пламени может быть использован для уточнения механизма горения и любых ограничивающих явлений.

Масштаб скорости пламени должен зависеть от механизма горения.Ландау и Лифшиц [22] утверждают, что скорость пламени для волны горения, вызванной тепловым воздействием, масштабируется как, где — масштаб времени горения. Горошин и др. [23] утверждали, что для пламени, ограниченного диффузией, масштабы обратно пропорциональны коэффициенту диффузии газа. Если пламя ограничено диффузией, скорость пламени должна масштабироваться как. Горошин и др. [23] утверждали, что если это тепловое пламя ограничено кинетически, разница в коэффициенте диффузии по массе газовых смесей (то есть в каждом состоянии) не должна играть роли, поэтому скорость пламени должна масштабироваться.Эта логика использовалась для текущей работы. Теоретический масштаб для диффузионного и кинетически ограниченного пламени показан в таблицах 2 и 3, соответственно. Соотношения скоростей по данным текущей работы показаны в Таблице 4.



280 г / м 3 0,64 1,00 1.73
560 г / м 3 0,52 1,00 1,43



280 г / м 3 0,89 1,00 1,15
560 г / м 3 0.85 1,00 1,09

912 9123 9123


0,25 1,00 1,62
560 г / м 3 0,29 1,00 1,86

Экспериментально наблюдается соотношение измеренные скорости для случаев 21% и 42% кислорода (для обеих концентраций частиц) намного ближе к соотношению, предсказанному теорией ограниченной диффузии.Этот результат в сочетании с предыдущим обсуждением предполагает, что пламя обогащенной кислородом серной пыли горит в пределе диффузии.

Интуитивно можно было ожидать, что обогащенное кислородом пламя будет гореть в кинетическом пределе, поскольку более высокая концентрация кислорода находится ближе к поверхности частицы и потенциально значительно сокращает масштаб времени диффузии. Однако концентрация кислорода — это только один аспект этого пламени. Измерения температуры показывают, что пламя горит тем сильнее, чем больше в систему добавляется кислорода.Масштаб времени диффузии действительно уменьшается с температурой (), но это не влияет так сильно, как кинетика, которая экспоненциально масштабируется с температурой. Повышение температуры приводит к тому, что химия протекает намного быстрее, в результате чего процесс диффузии становится ограничивающим этапом.

Уменьшение концентрации кислорода до 10% не соответствует масштабным коэффициентам, предсказываемым кинетически или диффузионно ограниченным пламенем. Эксперименты с более высокими концентрациями кислорода дали очень согласованные данные, тогда как концентрации кислорода 10% имели больший разброс.Данные, представленные здесь, плохо отражают больший спред. Во многих случаях испытания 10% кислорода не приводили к воспламенению (для обеих концентраций порошка). Вполне возможно, что эти обедненные кислородом условия приблизились к единице воспламеняемости.

4.3. Режим группового сжигания

Наконец, необходимо определить, горят ли частицы пыли независимо друг от друга. Итак, второе условие, которое необходимо определить, — это расстояние между каплями. Анализ горения капель предполагает отсутствие взаимодействия с другими частицами [24].Сообщество распылительного горения использует число группового горения, чтобы оценить, горят ли частицы по отдельности или вместе в более крупном групповом пламени. Число группового горения определено Глассманом и Йеттером [25] следующим образом: где — число Шмидта (отношение импульсной и массовой коэффициентов диффузии), — это число Льюиса (отношение термической и массовой диффузионных характеристик), — это число частиц, является радиус частицы, — среднее расстояние между частицами [25]. Отношение и равно кубическому корню из отношения плотности массовой загрузки частицы (т.е.,) и плотности частиц [26] и составляет порядка 0,1 для условий, протестированных в данной работе. Количество частиц в камере для данного теста порядка. И Sc, и Le будут порядка от 0,1 до 1. Число Рейнольдса неизвестно, поскольку скорость не измерялась, но, вероятно, на несколько порядков больше, чем. Следовательно, используя (5), будет намного больше, чем. Число групп меньше, чем указано для возникновения индивидуально горящих частиц [25].

5.Выводы

Исследованы взрывы серной пыли постоянного объема. Измерения скорости пламени с использованием ионизационных датчиков показали разумное согласие с расчетной скоростью по данным времени давления. Хотя было согласие, неуместно называть количество ламинарной скоростью пламени из-за турбулентности в системе. Скорость пламени находилась в диапазоне от 9 см / с при 10% -ном кислороде для обеих исследованных концентраций частиц до 80 см / с при 42% -ном кислороде для 554 г / м 3 серы.Скорость пламени также увеличивается с концентрацией частиц, что может быть связано с более коротким расстоянием между частицами при более высоких концентрациях. Измеренная температура варьировалась от приблизительно 800 К для обеих концентраций частиц до приблизительно 2200 и 2600 для 287 г / м 3 и 554 г / м 3 , соответственно. Наблюдалось, что скорость и температура пламени зависят не только от коэффициента эквивалентности, но, скорее, от концентраций серы и кислорода. Дальнейший анализ пришел к выводу, что диффузия стала ограничивающим процессом по мере перехода стехиометрии от богатой топливом к стехиометрической.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении публикации данной статьи.

Благодарности

Эта работа финансировалась грантом DTRA HDTRA1-11-1-0014 под руководством руководителя проекта доктора Сухити Пейриса. Авторы выражают благодарность студентам Сасанка Вемулапати и Крису Мурзину за их помощь. Эта работа была частично выполнена в центральной лаборатории лаборатории исследования материалов имени Фредерика Зейтца в Университете штата Иллинойс в Урбане, Шампейн.

Создана первая система, использующая железный порошок в качестве топлива.

Студенты Технологического университета Эйндховена построили первую техническую демонстрацию системы, которая генерирует тепло путем сжигания железного порошка. Они надеются, что смогут еще больше расширить этот процесс, чтобы его можно было использовать в промышленных приложениях вместо сжигания газа или угля.

Студенты Team SOLID построили систему мощностью 20 кВт, которая сжигает железный порошок и выделяет тепло. Его можно использовать для нагрева воды или создания пара, а также для выработки электроэнергии с помощью двигателя Стирлинга.

Этот процесс также можно обратить, чтобы преобразовать порошок оксида железа (ржавчину), полученный на первом этапе, обратно в железо. Это можно сделать с помощью традиционных неэкологичных процессов, таких как нагревание коксом, или с использованием альтернативных технологий, таких как водород. Последний вариант является гораздо более экологичным, потому что водород можно производить с помощью устойчивой выработки электроэнергии.

Воронка в новой системе сжигания железа Team SOLID, содержащая железный порошок для сжигания.

ОЧЕНЬ ПОДХОДИТ

Почему железо так подходит для этого процесса? «Во-первых, железо имеет высокую плотность энергии и горит при высокой температуре до 1800 ° C. Некоторым промышленным процессам требуется температура до 800 или 900 ° C, что выходит за рамки возможностей нагрева воздуха электричеством с помощью тепловых насосов », — говорит Герт Вергоссен из Team SOLID. Еще одно преимущество заключается в том, что железо может храниться очень стабильно в течение более длительного периода времени, если до него не может добраться кислород.

Команда считает, что железный порошок потенциально может использоваться в качестве топлива с нулевыми выбросами CO 2 .Однако есть ряд препятствий, которые еще предстоит преодолеть. Например, железный порошок может быть получен с различными формами зерен, но еще не определено, какая форма является наиболее подходящей. «Есть, например, удлиненные частицы, похожие на крошечные палочки из микадо. Они действительно хорошо горят, но их непросто распределить и транспортировать », — говорит Вергооссен.

Еще одна проблема, с которой команда должна столкнуться при расширении масштабов, — это обработка выбросов, образующихся в процессе.NO x выделяется при таких высоких температурах и, возможно, также выделяется твердые частицы, и оба должны быть отфильтрованы.

НЕИЗВЕСТНО

Самым важным препятствием, возможно, является непривычное использование железа в качестве топлива. Хотя около четырех университетов по всему миру проводят исследования металлических топлив , это действительно неизвестная территория для студентов. Они первыми действительно построят демонстратор (работающую установку) и, следовательно, должны будут сами получить много знаний о процессе сгорания.

Vergoossen: «Железный порошок горит совсем не так, как газ или уголь, поэтому мы собираемся смоделировать горение. Это позволит нам поиграть со всеми видами параметров, такими как поток железного порошка, размер зерна и добавка кислорода ». В этом команде помогают исследования Технологического университета Эйндховена.

Кроме того, группа проводит обширные экспериментальные исследования демонстратора мощностью 20 кВт. Но уже есть планы относительно его преемника — системы на 100 кВт, для которой команда все еще ищет промышленных партнеров.

Это видео объясняет, как работает установка:

Если вы нашли эту статью интересной, подпишитесь бесплатно на нашу еженедельную новостную рассылку !

Фотографии: Барт ван Овербик / Технологический университет Эйндховена

Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.

Пожалуйста, включите JavaScript, чтобы просматривать комментарии от Disqus.Печать dit artikel

Химия пороха — сложные проценты

С приближением Четвертого июля и Дня независимости Америки, казалось, уместным был какой-то актуальный пост. Уже изучив химические соединения, придающие цвет фейерверку на предыдущем рисунке, я решил исследовать здесь еще один важный компонент фейерверка: первое химическое взрывчатое вещество, порох, также обычно называемый черным порохом.

До середины XIX века единственным известным химическим взрывчатым веществом был порох. Однако его использование можно проследить гораздо раньше, и есть исторические свидетельства его использования в фейерверках в Китае еще в 1200 году нашей эры. В последующие столетия он использовался в военных целях в винтовках и пушках, но в них он давно был заменен современными бездымными порохами. Индустрия фейерверков — одна из последних крупных отраслей, где до сих пор используется традиционный дымный порох.

Порох представляет собой не одно конкретное соединение, а смесь трех различных компонентов.Он состоит из нитрата калия (75% по весу), древесного угля (15% по весу) и серы (10% по весу). Каждый из этих компонентов играет важную роль в горении пороха.

Нитрат калия, также известный как «селитра» или «селитра», разлагается при высокой температуре, обеспечивая кислород для реакции. Это означает, что порох не нужно подвергать воздействию воздуха, чтобы гореть — и поэтому удушение фейерверков не остановит их горение! Древесный уголь часто представляется просто источником углерода, который действует как топливо, хотя на самом деле это разрушенная форма целлюлозы с приблизительной эмпирической формулой C 7 H 4 O.Наконец, сера также может действовать как топливо, хотя ее включение больше связано с тем фактом, что она подвергается экзотермическим реакциям (реакциям с выделением тепла) при относительно низких температурах, обеспечивая больше энергии и понижая температуру воспламенения древесного угля.

Стоит отметить, что простого смешивания этих трех компонентов недостаточно для производства пороха хорошего качества; их необходимо тщательно перемешать, увлажнить и измельчить, чтобы получилась реактивная смесь. Отклонения от идеального соотношения, указанного выше, иногда используются для изменения характеристик горения смеси, а добавление небольших количеств воды к смеси также может использоваться для увеличения времени горения.

Точные реакции пороха трудно объяснить. Сжигание пороха состоит не из простой одиночной реакции, а из множества различных сложных реакций. Однако можно составить упрощенное уравнение, которое дает общее представление о продуктах различных реакций, как показано на рисунке. В результате реакций образуется смесь твердых и газообразных продуктов, а также очень небольшое количество воды.

Очевидное использование черного пороха в фейерверках — это «подъемный заряд», который подбрасывает фейерверк в воздух.Взрыватель, обеспечивающий задержку перед взрывом фейерверка, и сам разрывный заряд также будут использовать порох. Горение древесного угля в порохе часто является источником сверкающих хвостов фейерверков, когда они поднимаются вверх. Газы, образующиеся в результате реакции горения, являются причиной эффекта метательного взрывчатого вещества и возможного взрыва фейерверка.

В некоторых случаях в современных фейерверках используются более безопасные альтернативы пороху, которые более стабильны и просты в обращении.Однако многие до сих пор используют порох, продолжая многовековой обычай.

Изображение в этой статье находится под лицензией Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License. См. Рекомендации по использованию содержания сайта.

Ссылки и дополнительная литература

Улучшение бора для сжигания

Аннотация

Бор получил много внимания как потенциальная добавка к взрывчатым веществам и ракетному топливу из-за его высоких теоретических гравиметрических и объемных значений нагрева.Однако проблема заключается в том, что частицы бора имеют тенденцию к агломерации, имеют длительные задержки воспламенения и очень низкие скорости горения. Предыдущие исследования показывают, что длительные задержки воспламенения бора связаны с тем, что он ингибирует естественный оксидный слой, препятствуя диффузии реагентов для окисления. Что касается горения, текущие исследования показывают, что частицы бора проходят две последовательные стадии, но реальный механизм реакции плохо изучен. Несмотря на многие годы соответствующих исследований, количественные данные о горении частиц бора микронного размера ограничены, и большинство предлагаемых модификаций порошка бора для его улучшенного воспламенения и горения существенно снижают удельную энергию получаемых композитов.Такие модификации влияют на кинетику низкотемпературного окисления и, таким образом, направлены на уменьшение задержки воспламенения, а не на ускорение высокотемпературных реакций, влияющих на скорость и эффективность горения. Цели этого исследования заключаются в достижении более высоких скоростей горения для порошков бора, не подвергая опасности их термохимические характеристики. , безопасность и стабильность, а также разработать экспериментально подтвержденную модель, адекватно описывающую кинетику окисления бора, которая может быть использована в практическом моделировании в широком диапазоне температур.Исследование также направлено на восполнение пробела в данных о горении мелких частиц бора в различных окислительных средах. В этой работе время горения в зависимости от размера частиц, задержки воспламенения и температуры коммерческих и модифицированных порошков бора собирают на основе оптических выбросов и изображений отдельных частиц, горящих в воздухе, паре и газах, образованных при горении углеводородов. В каждом случае описывается среда окисляющего газа с учетом термодинамического равновесия и с использованием вычислительной гидродинамики.В отличие от предыдущей работы, сложная морфология агрегатов бора явно учитывается с поправкой на их фрактальную размерность. Фрактальная размерность определяется анализом изображений с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) с помощью подсчета ящиков и теорий морфологии кластеров, ограничивающих диффузию. Изучаются стратегии модификации гетерогенных реакций бора путем функционализации его поверхности органическими растворителями и использования переходных металлов в качестве «челночных катализаторов». Установлено, что промывка бора ацетонитрилом удаляет гидратированный поверхностный оксид и снижает задержки воспламенения, предотвращая быстрое старение и повторное окисление в условиях окружающей среды.Легирование бора переходными металлами (Fe или Hf) менее 5 мас.% С помощью высокоэнергетической шаровой мельницы или мокрого синтеза увеличивает скорость поверхностных реакций, что приводит к более короткому времени горения частиц по сравнению с исходным промышленным порошком. Кинетическая модель получена из низкотемпературных термоаналитических измерений для описания окисления сложных агрегированных частиц бора с учетом морфологии их поверхности. Сравнение с экспериментами по сжиганию частиц показывает, что одна и та же модель может описывать реакции при высоких температурах, типичных для полноценного горения бора, предполагая, что одни и те же гетерогенные реакции управляют как воспламенением, так и горением бора.Установлено, что морфология полученных порошков бора, включающих микронные агломераты более мелких первичных частиц, не всегда изменяется на сферические капли даже при температурах, превышающих точку плавления бора. Это приводит к изменению скорости горения и температуры для различных частиц.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *