Влияние дисперсности алюминия и каталитических добавок на характеристики горения систем на основе активного горючего-связующего

Дипломная работа

Влияние дисперсности алюминия и каталитических добавок на характеристики горения систем на основе активного горючего-связующего

Содержание

Введение

Глава 1. Литературный обзор

1.1.         Свойства активного горючего-связующего

1.2.         Свойства металлического горючего

1.3.         Свойства каталитических добавок

1.4.         Свойства окислителей

Глава 2. Методики теоретического и экспериментального исследования системы Al–активное горючее-связующее – каталитические добавки

2.1. Методика расчета по программе Астра-4

2.1.1. Подготовка исходных данных

2.1.2. Расчет эквивалентной формулы

2.1.3. Энергетические и теплофизические характеристики

исходных компонентов

2.2 . Методика зажигания нагретой поверхностью

2.3. Методика изготовления образцов

2.4. Изучение горения на открытом воздухе при 1атм

2.5. Математическая обработка экспериментальных данных

Глава 3. Результаты термодинамического расчета и экспериментального исследования системы Аl – активное горючее-связующее – каталитические добавки

3.1. Результаты расчета термодинамических характеристик базовых систем

3.2. Определение энергии активации и предэкспонента

3.3. Определение стационарной скорости горения

Заключение

Выводы

Список литературы

Приложение 1

Введение

Современные смесевые топлива состоят обычно из перхлората аммония, выполняющего роль окислителя, алюминия (изредка магния) в форме мелкодисперсного сферического порошка, и органического полимера — связующего. Металл и полимер играют роль горючего, причём металл является основным источником энергии, а горючее-связующее — основным источником газообразных продуктов (рабочего тела), так как ввиду высокой температуры кипения оксид алюминия не может быть газом в ракетном двигателе и не может совершать работы при расширении в сопле.

Порошковообразные металлы могут вводиться в состав смесевых топлив в качестве дополнительного горючего компонента. Для этого пригодны чистые бериллий, алюминий, магний, а так же некоторые их соединения. В результате введения металлов происходит повышение запаса энергии топлива, т.е. увеличивается удельная тяга двигателей. Кроме того, металлические добавки повышают удельный вес топлива, что улучшает характеристики двигателя и ракеты в целом. При этом следует учитывать, что чем больше содержание металлического горючего, тем выше будет температура продуктов горения в камере. Почти все современные смесевые топлива имеют в своем составе металлическое горючее в различном количестве.

Самым широко распространенным и наиболее дешевым металлическим горючим является алюминий. Применение тонко измельченного порошка алюминия в смесевых топливах не только повышает удельную тягу двигателей, но и улучшает надежность их запуска и увеличивает стабильность горения топлива.

В ряде работ исследуются полные топливные системы, состоящие из окислителя, горючего-связующего, добавок, алюминия и других компонент. Но очень мало работ, показывающих механизм влияния активного горючего- связующего (АГСВ) на алюминий в присутствии каталитических добавок.

Целью данной работы является изучение влияния дисперсности алюминия и каталитических добавок на системы Al–АГСВ.

Глава 1. Литературный обзор

При анализе литературных данных основное внимание уделено роли горючего-связующего и металлического горючего в формировании характеристик твердых топлив, а также рассмотрены свойства катализаторов горения – сажи, оксида кремния, хлорида олова и особенности окислителей твердотопливных систем.

1.1.         Свойства активного горючего-связующего

Современные горючие-связующие классифицируют по химическому и фазовому составу (структуре). По химическому составу с учетом энергетических характеристик выделяют «инертные» и «активные» горючие-связующие (ГС). К «инертным» относятся композиции, состоящие, в основном, из горючих элементов и имеющие, как правило, отрицательную энтальпию образования. Окислительные элементы (кислород, хлор, фтор) в них или отсутствуют, как например, в бутилкаучуке, или содержание их незначительно, как в уретановом каучуке. К «активным» относят горючие-связующие, обогащенные окислительными элементами.

В данной работе использовались ГС активного типа, поэтому именно их и будем рассматривать.

Активное горючее-связующее – композиция, состоящая из полимеров, пластификаторов и компонентов системы отверждения (структурирования), способная к самостоятельному горению в инертной среде. Способность к самостоятельному горению обусловлена содержанием достаточно большого количества окислительных элементов (кислорода, хлора, фтора и др.) в компонентах активного горючего-связующего. Основными поставщиками окислительных элементов в составе АГСВ являются пластификаторы, в качестве которых используются, например, тринитрат глицерина, динитратэтиленгликоль и др.

 Наряду с этим АГСВ отличаются от инертных связующих повышенной энтальпией образования компонентов и плотностью. Это позволяет создавать на их основе более высокоэнергетические и высокоплотные твердые топлива с большим массовым (18%) и объемным (25%) содержанием горючего-связующего.

По фазовому составу (структуре) горючие-связующие подразделяют на два класса – раствор полимера в пластификаторе и суспензия полимера в пластификаторе. Такое деление условно, резкой границы между реальными представителями этих классов нет.

Наряду с преимуществами активных горючих-связующих по сравнению с инертными в отдельных случаях обуславливают и некоторые недостатки смесевых твердых топлив, например, пониженную физико-химическую стабильность, повышенную взрывоопасность, более узкий температурный диапазон эксплуатации зарядов. [8,стр.185-187]

1.2.         Свойства металлического горючего

Порошкообразный металлический алюминий в силу высокой теплоты горения (∆H = -837,5 кДж/моль) широко используется в высокоэнергетических системах: в термитных составах, смесевых топливах и взрывчатых веществах, а также в составах для самораспространяющегося высокотемпературного синтеза тугоплавких соединений. Реакционная способность порошков алюминия во многом зависит от размера частиц и существенно увеличивается при переходе к частицам размером менее 1 мкм.[9]

В данной работе использовался алюминий двух марок: АСД-6 (промышленный алюминий) и Alex (ультрадисперсный порошок). Поэтому о них более подробно.

Алюминий марки АСD-6

Характеристики АСД-6 приведем в Таблице 1. Характеристики взяты из аналитического паспорта ТУ 48-5-226-87.

Таблица 1. Характеристики АСД-6

Алюминий марки «Alex»

Характеристики приведем в Таблице 2 на основании сертификата партии «Alex», соответствующего ТУ 1791-002-36280340-2005.

Таблица 2. Характеристики Alex

Материал состоит на 90 - 92% из активного алюминия. Содержание оксида алюминия находиться в пределах 7 - 9%, содержание адсорбированных газов до 1%.

Внешний вид и цвет: порошок серого цвета. Точка плавления 640°С. Общий вид порошка изображен на рис. 1. Гистограмма распределения частиц по размерам изображена на рис. 2. Вероятностный (средний арифметический) размер а_n = 77 нм; размер, размер средний по поверхности a_s = 89 нм; средний массовый размер а_m = 103 нм. Электронная микроскопия высокого разрешения свидетельствует о наличии многочисленных кристаллических дефектов.

Порошок реагирует с водой при температуре 50°С с выделением водорода. При взаимодействии с открытым пламенем в воздухе воспламеняется. ALEX™(50) энергично взаимодействует в экзотермических реакциях с кислородсодержащими жидкостями, с галогенсодержащими органиками и другими окислителями. При нагревании в атмосфере сухого воздуха до 80 °С не воспламеняется. Воспламеняется при температуре около 300°С.

ALEX™(50) может найти применение в пиротехнике, материаловедении.

Рис. 1. Характерная фотография нанопорошков алюминия

Рис. 2. Гистограмма распределения частиц порошка алюминия по размерам Ось ординат - число частиц, ось абсцисс - размер частиц в нм.

1.3.         Свойства каталитических добавок Si, SnC, сажи

Катализаторы горения – добавки, вводимые в состав смесевых твердых топлив с целью увеличения скорости горения. Катализаторы лишь снижают энергетику топлива, и их действие на величину скорости связано с увеличением скорости химической реакций в зоне горения.

В смесевых твердых топливах катализаторы, как правило, увеличивают скорость горения, слабо меняя ее зависимость от давления. Эффективность действия добавок зависит от состава топлив (соотношение компонентов, дисперсности окислителя, природы связующего), температуры заряда и давления, при котором происходит горение.

В данной работе использовались порошкообразные катализаторы. Их эффективность возрастает с увеличением их концентрации в составе топлива до 1-2%, когда скорость горения увеличивается на 30-70%. Дальнейшее повышение содержания добавки слабо отражается на ее влиянии. Это, вероятно, связано с накоплением частиц катализатора на поверхности горения, которое слабо зависит от исходной концентрации добавки в составе при достижении некоторого ее значения [10, стр. 173].

1.4.         Свойства окислителей

В качестве окислителей твердых смесевых ракетных топлив применяются твердые вещества, в основном это соли азотной (нитраты) и хлорной (перхлораты) кислот, например, часто используемые перхлорат аммония и нитрат аммония (аммиачная селитра)[6].

Нитрат аммония – один из основных компонент, используемый как окислитель, при изготовлении твердых смесевых топлив. Интерес к использованию нитрата аммония (НА) в перспективных высокоэнергетических топливах обусловлен тем, что он является полностью газифицируемым, производит чистые и бездымные продукты сгорания, является дешевым, доступным и безопасным энергетическим материалом.

Нитрат аммония хорошо растворяется в воде (при 20ºС 179г НА в 100г воды), обладает высокой гигроскопичностью, является слабым взрывчатым веществом с теплотой взрыва 1400 кДж/кг. В чистом виде НА– полиморфное кристаллическое вещество с ºС и плотностью кристаллов ρ=1,725г/

Глава 2. Методики теоретического и экспериментального исследования системы Al - АГСВ - каталитические добавки

В данной главе описаны основные методики, которые использовались в данной работе. А именно:

– методика термодинамического расчета по программе Астра-4;

– методика зажигания нагретой поверхностью;

– методика изготовления образцов;

– изучение горения на открытом воздухе при 1атм;

– математическая обработка экспериментальных данных.

2.1. Методика термодинамического расчета по программе Астра-4

Энергетические характеристики ракетных топлив, а также термодинамические и теплофизические свойства их продуктов сгорания определяются в результате термодинамического расчета. Исходными данными для термодинамического расчета являются элементарный химический состав топлива и энтальпия исходного топлива; дополнительно задаются значения давления в камере сгорания pk. Термодинамические расчеты в настоящее время проводятся на ЭВМ.[1,стр.28]

Комплекс АСТРА-4 предназначен для определения характеристик равновесия, фазового и химического состава произвольных систем.

В качестве термодинамических параметров определяющих условия равновесия исследуемой системы применяются давление, температура, удельный объем, внутренняя энергия, энтропия и энтальпия.

Одной из основных энергетических характеристик топлива является удельный импульс. Выражение для удельного импульса в случае ра=рк можно представить в виде

Iуд=,

где iт, iа- удельные энтальпии твердого топлива и продуктов сгорания в выходном сечении сопла соответственно.

Для сравнения различных твердых топлив по энергетическим характеристикам используются значения удельного импульса, приведенного к давлению при стандартных условиях, за которое для РДТТ обычно принимают давление в камере рк=4МПа, и давление в выходном сечении сопла ра=0,1МПа.

Удельным импульсом ракетного двигателя называется характеристика, равная отношению создаваемого им импульса (количества движения) к расходу топлива.

Величина удельного импульса играет столь важную роль в ракетной технике, что уместно здесь сделать некоторые замечания о ее физическом смысле. Прежде всего, возникает вопрос о том, почему удельный импульс измеряется в единицах времени