Анализ способов охлаждения продуктов сгорания в пиротехнических газогенераторах

УДК 662.161

АНАЛИЗ СПОСОБОВ ОХЛАЖДЕНИЯ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ В ПИРОТЕХНИЧЕСКИХ ГАЗОГЕНЕРАТОРАХ

А.Ю. Сараев, О.Ю. Антонов, И.В. Тартынов, С.Н. Вагонов, В. А. Никитин

Классифицируются способы охлаждения газов пиротехнических газогенераторов различного назначения. Рассмотрены основные особенности функционирования каждого частного способа, выделены их преимущества и недостатки. В зависимости от назначения пиротехнического газогенератора обусловлена возможность применения конкретного способа снижения температуры рабочего тела.

Ключевые слова: пиротехнический газогенератор, блок охлаждения, адиабатическое расширение, эжектор, низкотемпературная композиция, фильтрационное охлаждение.

Пиротехнические газогенераторы (ПГГ) в настоящее время получили широкое распространение в различных областях техники. Основные области применения твердых источников газов - системы пироавтоматики, предохранительные устройства, спасательные устройства (надувные трапы, автомобильные подушки безопасности и т.п.), химические и газодинамические лазеры, передавливание агрессивных жидкостей, тушение локальных пожаров и т.д. [1].

Снижение температуры генерируемого газа до уровня порядка 100 °С позволяет существенно расширить возможности использования ПГГ в системах управления, а также использовать для наддува гибких оболочек как в системах ракетно-космической техники, так и для систем газонаполнения различных спасательных средств, систем жизнеобеспечения и т. п.

Для решения этой проблемы существуют несколько подходов:

- охлаждение газа с помощью адиабатического расширения;

- эжекторное охлаждение;

- применение низкотемпературных композиций;

- фильтрационное охлаждение;

- охлаждение с помощью блоков охлаждения (БО).

Охлаждение за счет адиабатического расширения осуществляется в

результате совершения газом работы по изменению удельного объема, вследствие чего его внутренняя энергия уменьшается. Температура газа Т после расширения находится следующим образом:

Т - ТК

К-1 '

Рк 1

где Тк - температура газа до расширения; Рк и Рн - давление газа до и после расширения; К - показатель адиабаты газа.

Таким образом, чем больше резервуар, куда истекают продукты сгорания, тем выше производительность такого способа охлаждения.

На практике применение такого способа весьма затруднительно, если габариты ПГГ ограничены. Описанная схема используется в стационарных ПГГ, оснащенных ресивером и в случаях, когда масса ПГГ может быть достаточно большой.

Заметного уменьшения массы ПГГ можно достичь, выполнив БО по эжекторной схеме, поскольку основную массу газообразного рабочего тела в этом случае будет составлять атмосферный воздух, передача энергии которому от высоконапорного газового потока, генерируемого ПГГ, происходит путем турбулентного перемешивания. Независимо от схемы эжектора, зачастую определяемой его назначением, в нем всегда имеются следующие конструктивные элементы:

- сопло высоконапорного (эжектирующего) газа;

- сопло низконапорного (эжектируемого) газа;

- камера смешения;

- диффузор.

Назначение сопел - подвод газа с минимальными потерями к входу в смесительную камеру. Длина камеры смешения выбирается из условия практически полного завершения процесса смешения потоков в ней. Диффузор устанавливается на выходе из смесительной камеры для получения, при заданном давлении на выходе, низкого статического давления в камере смешения и во входном сечении эжектора, увеличив тем самым коэффициент эжекции, равный отношению массового расхода эжектируемого газа (воздуха) к массовому расходу эжектирующего газа.

Использовать преимущества рабочего процесса эжектора на практике не всегда возможно из-за специфичности его конструкции, так как эжекторная схема относится к открытым схемам, т.е. располагающимся в открытом потоке, и поэтому не обладает герметичностью. Таким образом, его использование в замкнутых герметичных объемах невозможно, кроме того, затруднительно использовать эжекторное охлаждение в разряженной среде ввиду резкой потери эффективности.

Охлаждение за счет применения низкотемпературных композиций осуществляется применением в структуре зарядов крупных гранул высокоэффективных химических охладителей - веществ с большим эндотермическим эффектом разложения и газообразованием (оксамид, триамино-гуанидин, карбамид, оксалат аммония и другие) [2]. Физика процесса в этом случае следующая. Крупные гранулы охладителя, ввиду малой общей поверхности, не успевают полностью термолизоваться в пределах зоны влияния и, следовательно, тепловыделение в ней изменяется незначительно. Потоками газообразных продуктов горения гранулы выносятся за пре-

33

делы зоны влияния и образуют как бы блок охлаждения над поверхностью горения. Теоретически такие композиции позволяют получить температуру продуктов сгорания менее 700 К. Однако описанный способ обладает рядом значительных недостатков, препятствующих широкому применению. Самые существенные недостатки относятся к технологии переработки топливных масс с крупным наполнителем, а также к необходимости обеспечения приемлемых для конструирования конкретных ПГГ баллистических характеристик и их воспроизводимости.

Фильтрационное охлаждение представляет собой процесс перетекания газообразных продуктов через пористое тело заряда твердого топлива, в результате чего газ на выходе имеет температуру, близкую к начальной температуре заряда. Для предотвращения возможности объемного горения рецептура топлива компонуется так, чтобы она не была способна к самостоятельному горению, либо подбирается таким образом, чтобы предотвратить проникновение (распространение) горения по пористой структуре и перехода послойного горения в объемное [3]. Температура газа на выходе определется из соотношения

Т = (Тк - Тз )(1 - М • 2) + Тз ,

где Тз - температура поверхности заряда; М - относительная теплоемкость поля заряда; 2 - количество эффективной поверхности охлаждения.

На практике применение данного способа связано с трудностью получения равномерной плотности и пористости заряда по его длине, а также стойкостью рецептур к переходу в объемное горение. Многочисленные эксперименты, проведенные по исследованию данного способа, показали достаточную эффективность снижения температуры, но с другой стороны отметили практическую трудность получения результатов, в результате чего большая часть опытов приводила к демонтажу конструкции, связанную с расслоением зарядов, закупоркой пор и растрескиванием зарядов в связи с воздействием на них высокого градиента давления. Кроме того, стоит отметить, что пористые заряды имеют сравнительно низкую плотность (0,8 - 1,2 г/см3),

следствием которой является низкая прочность и коэффициент заполнения камеры.

Применяемые в ПГГ БО можно разделить на активные и пассивные.

В качестве активного охладителя используются гранулы органических соединений, разлагающиеся при нагревании с поглощением теплоты.

Наиболее часто в качестве химических охладителей используются: карбамид (мочевина) - СО^Ы?^, щавелевая кислота (ЩК) - Н2С2О4, дигидрат щавелевой кислоты (ДГЩ) - (СООН)2 X 2Н2О, углекислый аммоний - ^Н^СО, оксалат аммония - (КН4)2С2О4 и другие соли аммония. Эффективность активного охлаждения состоит в том, что теплота, отбираемая от генерируемого газа, идет сначала на нагрев охладителя от

34

начальной температуры до температуры начала его разложения, а затем расходуется на фазовые превращения материала охладителя и его термическое разложение.

Для охладителей на основе солей аммония основными недостатками являются высокая гигроскопичность (и, как следствие, высокая слежи-ваемость), а также значительное количество в продуктах разложения конденсирующихся веществ, главным образом воды:

(Nн4)2co3  мы3 + со2+Ы20,

(КЦ^С^ х Ы20  ЗКЦ + С02 + СО+2Ы20.

При этом существенно уменьшается объем газообразных продуктов разложения и, кроме того, в продуктах разложения происходят вторичные (обратные) превращения, в ходе которых происходит конденсация паров воды и последующее растворение в воде аммиака и углекислого газа с образованием твердого шлака.

Рассматривая процесс разложения мочевины, можно показать, что при разложении 1 кг мочевины до конечных продуктов образуется 0,283 кг аммиака, 0,367 кг двуокиси углерода, 0,233 кг азота, 0,017 кг водорода и 0,1 кг сажи. Указанное количество полученных продуктов существенно ограничивает применение активных фильтров в тех сферах применения ПГГ, где необходимо получение газовых смесей, не содержащих конденсированных частиц (сервоприводы, гиросистемы, наддув емкостей с компонентами жидкого ракетного топлива (ЖРТ) и т.п.).

Описанных недостатков лишены пассивные БО. Для ПГГ, используемых в ракетной технике для снаряжения пассивных БО чаще всего применяются высокопористые механические фильтры, выполненные из металлической стружки, металлических сеток, россыпи металлических шариков или других неорганических порошкообразных материалов. Могут использоваться различные волокнистые или тканые материалы на основе тугоплавких неорганических окислов. Фильтрующие элементы могут также выполняться и из других пористых прочных материалов, например, из металлокерамики, бетона, различных металлов и пористых сетчатых металлов. Пористые сетчатые материалы изготавливают из сеток различного типа плетения. Наполнитель фильтра-охладителя подбирается исходя из необходимой величины массового расхода и требуемой температуры на выходе.

Количество поглощенной пассивным БО теплоты оценивается по зависимости

dQ-а-(Т2 -Т1)• 5 М,

где а - коэффициент конвективной теплопроводности; Т[ - температура материала фильтра; Т2 - температура газа; 5 - суммарная поверхность теплообмена; М - время работы фильтра-охладителя.

Значение температуры газовой струи на выходе из фильтра-

охладителя определяется соотношением

т = ^  Cp  Т - ^

G0  Cp

где Go - поверхностная массовая скорость газовой фазы, Cp - коэффициент удельной теплоемкости газа.

Основными преимуществами пассивных БО являются простота конструкции, длительный срок эксплуатации, невысокая стоимость производства, возможность получения чистых газовых смесей, эффективность работы при высоких температурах газа в камере, относительная простота инженерных расчетов и прогнозирования результатов. Основным недостатком является относительно высокая масса вследствие применения тяжелых материалов с высокой степенью теплопередачи. Однако указанный недостаток целиком компенсируется преимуществами таких БО, в результате чего пассивные БО считаются наиболее применимыми в ПГГ, предназначенных для оснащения ракетной техники. Кроме того, возможность получения чистых холодных газов существенно расширяет область применения ПГГ, оснащенных такими БО, например, в целях наполнения гибких оболочек средств для специальных средств, создания избыточного давления в высоконагруженных корпусах и оболочках, работающих под давлением, а также в специальных боеприпасах.

Таким образом, в результате рассмотрения возможных эффективных способов снижения температуры газа в ПГГ проведена оценка различных схем и обосновано применение пассивных БО в целях расширения сферы применения ПГГ в области ракетно-космической техники.

Список литературы

1. Основы современной пиротехники: учебник: в 2 ч. Ч. 1/ Н.М. Вареных [и др.]. Казань: Изд-во КНИТУ, 2014. 502 с.

2. Источники холодного газа нового поколения. Безопасность в обращении, надежность в эксплуатации / В.П. Осипов [и др.] // Пожаровзры-вобезопасность. 2001. № 3. С. 51 - 55.

3. Физикохимические основы создания элементов сопряжения низкотемпературных генераторов различного назначения / В.А. Шандаков [и др.]. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. 152 с.

Сараев Антон Юрьевич, инженер, niiph@дiiph.т, Россия, Московская обл., Сергиев Посад, АО ««ФНПЦ ««НИИ прикладной химии»,

Антонов Олег Юрьевич, заместитель начальника отдела, niiph@дiiph.т, Россия, Московская обл., Сергиев Посад, АО ««ФНПЦ ««НИИ прикладной химии»,

36

Тартынов Игорь Викторович, начальник отдела, niiphaniiph.ru, Россия, Московская обл., Сергиев Посад, АО «ФНПЦ «НИИ прикладной химии»,

Вагонов Сергей Николаевич, канд. техн. наук, заместитель генерального директора по НИОКР, niiphaniiph.ru, Россия, Московская обл., Сергиев Посад, АО «ФНПЦ «НИИ прикладной химии»,

Никитин Виктор Александрович, канд. техн. наук. доц., проф., nikitin tiilaai mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

ANALYSIS OF THE WAYS OF COMBUSTION PRODUCTS COOLING IN PYROTECHNIC GAS GENERATORS

A.Y. Saraev, O.Y. Antonov, I.V. Tartinov, S.N. Vagonov, V.A. Nikitin

The article is devoted to the classification methods of cooling gases of pyrotechnic gas generators for various applications. It examines the main features of the functioning of each particular method, denotes their merits and demerits. Depending on the purpose of the pyrotechnic gas generator, the possibility of using a specific method of reducing the temperature of the actuating medium is caused.

Key words: a pyrotechnic gas generator, cooling unit, adiabatic expansion, ejector, low temperature composition, filtration cooling.

Saraev Anton Yurevich, engineer, niiph@,niiph. ru, Russia, Sergiev Posad, Joint-stock company «Federal Scientific and Production Centre «Scientific Research Institute of Applied Chemistry»,

Antonov Oleg Yurevich, Deputy Chief, niiph@,niiph. ru, Russia, Sergiev Posad, Joint-stock company «Federal Scientific and Production Centre «Scientific Research Institute of Applied Chemistry»,

Tartinov Igor Viktorovich, Head of Department, niiph@,niiph. ru, Russia, Sergiev Posad, Joint-stock company «Federal Scientific and Production Centre «Scientific Research Institute of Applied Chemistry»,

Vagonov Sergey Nikolaevich, PhD, Deputy General Director, niiph@,niiph. ru, Russia, Sergiev Posad, Joint-stock company «Federal Scientific and Production Centre «Scientific Research Institute of Applied Chemistry»,

Nikitin Viktor Alexandrovich, candidate of technical sciences, docent, professor, ni-kitin_tula@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University