Влияние сажи на температурный профиль в волне горения модельного пороха

УДК 662.311.1

В.А. Сизов, Е Зо Тве, А.П. Денисюк

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

ВЛИЯНИЕ САЖИ ИА ТЕМПЕРАТУРНЫЙ ПРОФИЛЬ В ВОЛНЕ ГОРЕНИЯ МОДЕЛЬНОГО ПОРОХА

Изучено влияние высокодисперсной сажи на скорость горения высококалорийного модельного баллиститного пороха на основе нитроглицерина. Сажа при ее содержании больше 0,3% уже снижает скорость горения базового пороха. Также сравнены температурные профили указанного пороха с сажей и без ее для выяснения влияния излучения от высокотемпературной зоны пламени на конденсированную зону под поверхностью реакционного слоя к-фазы. Результаты подтвердили, что для указанного пороха степень черноты не влияет на подогрев к-фазы путем излучения от высокотемпературной зоны пламени. Вероятно, это связано с тем, что над поверхностью прозрачного образца в качестве промежуточных продуктов образуются сажистые частицы, которые поглощают излучение.

In this paper the effect of ultra fine carbon particles (soot) on combustion rate of high calorific model ballistic propellant, based on nitroglycerine, is studied. More than 0,3% soot content decreases combustion rate of basic propellant. The temperature distribution in combustion wave of the above propellant with and without a small amount of soot is also compared to determine the effect of radiation from high-temperature flame zone on the condensed zone just below the combustion surface. The results confirmed that the degree of blackness does not affect on preheating of condensed phase by radiation from high-temperature flame zone. This is probably due to the fact that soot particles are formed as intermediate products on the combustion surface of transparent sample, which in turn absorb the radiation.

Одним из важнейших методов изучения механизма горения энерго-насышенных материалов

где ср - теплоемкость к-фазы (Дж/г К), Т0, T - начальная температура и температура поверхности горения соответственно, Qk - тепло, выделяющееся в к-фазе (Дж/г); qx - тепла, поступающее теплопроводностью из газовой фазы (qx = X/pU*dT/dx, где - X - теплопроводность газа над поверхностью горения (Дж/см-с-К); U - скорость горения образца (см/с); р - плотность образца (г/см3)) (Дж/г);

Яи - тепло, поступающее в к-фазу излучением (Дж/г).

Для порохов яи обычно мало и им пренебрегают [1].

В [3] показано, что при горении тетрила излучение может приводить к изменению ширины прогретого слоя в зависимости от давления, от которого зависит максимальная температура горения. Применительно к порохам этот вопрос не изучался, но он представляет интерес для оценки характеристики прогретого слоя. В данной работе этот вопрос изучался применительно к пороху баллиститного типа. Дело в том, что многие пороха без наполнителей являются прозрачными и могут пропускать излучение, а другие, содержащие различные порошки, в том числе катализаторы с сажей, не являются прозрачными. В данной работе изучено влияние сажи на скорость го-

рения и на температурный профиль в волне горения высокопластифициро-ванного прозрачного модельного образца Я, в которой сверх 100% (т.е. за счет всех компонентов) вводили мелкодисперсную сажу марки КГО-250 (удельная поверхность 250 м /г). В результате чего образец становился непрозрачным. Состав пороха: 39,2% НЦ, 58,8% НГЦ и по 1% централита и индустриального масла. Плотность образцов р = 1,6 г/см . Образцы готовили по стандартной схеме - варка пороха, отжим пороховой массы, вальцевание и прессование пороховой массы. Сажа вводилась на стадии вальцевания. Скорость горения определяли в приборе постоянного давления (ППД) в атмосфере азота на образцах диаметром 7 мм, и высотой 15 мм, фиксируя время его горения с помощью тензо-датчика.

Прежде всего было изучено влияние количества (0,1%, 0,3% и 5%) сажи на скорость горения базового пороха. Влияние сажи на скорость горения пороха оценивали величиной Z = ис/и0, где ис и и0 - скорость горения пороха с сажей и без нее соответственно. Зависимость и(р) для исследованных образцов приведены на рис.1.

30 20

10

5

3 2

1

0.2 0.3 0.5 1 2 3 5 10 20 30

Рис. 1. Зависимость скорости горения от давления образцов с различным содержанием

сажи

1.2

г

1.0

0.8

0.6

4 8 12 16 20

Рис. 2. Влияние сажи (КГО-250) на скорость горения модельного пороха И:

1 - 0,1%; 2 - 0,3%; 3 - 5%.

Из рис. 1 и 2 видно, что 0,1% сажи до давления ~2 МПа не влияет на скорость горения, а выше слабо ее увеличивает; 0,3% сажи почти не изменя-

и, мм/с

д К + К + 0,1%С X К + 0,3%С о К + 5%С р, МП. 1

ет скорость горения, а 5% сажи уже снижают скорость горения. Например

при давлении выше 5 № т, к

2400

2000

1600

1200

800

400

Па на -20%.

т Д лГфР

1 п J

У V

X, ММ

-0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4

Рис. 3. Температурные профили с характерными точками в волне горения исследованного пороха при давлении 2,8 МПа

Для образцов без сажи и с 0,1% сажи определен профиль температуры в волне горения пороха при давлении 2,8 МПа по методике [1], с помощью вольфрам-рениевых термопар толщиной -5 мкм на зарядах диаметром 7 мм.

Основная трудность при обработке исходных осциллограмм температура-время (г) заключается в определении температуры поверхности гор е-ния. В соответствии с [1] ее определяли как точку характерного перегиба на кривой Т(г). Затем, зная скорость горения данные пересчитывали в коорд и-натах Т(х); Т = Тп при х = 0 (рис.4).

На всех кривых Т(х) отмечали характерные температуры и ширину различных зон: 1х - ширина прогретого слоя к-фазы, на которой разогрев падает в е раз; градиент температурыср = ёТ/ёх, который использовали для расчета теплового баланса к-фазы при горении пороха, вычисляли на расстоянии 50-100 мкм от поверхности горения; Тд и 1д - температура дымога-зовой зоны (первичное пламя) и ее протяженность; Ттах и 1тах - температура

вторичного пламени и расстояние ее от поверхности. 1600 т, к

1400

Опыт №3

тп = 6 >В3К

ф

Тп

'1-»

1

Рис. 4. Температурный профиль вблизи поверхности исследованного пороха при давлении 2,8 МПа

0.06

0.04

0.02

0

0.02

0.04

0.06

0.08

Полученные данные представлены в табл. 1.

Таблица 1. Параметры температурного профиля в волне горения исследованных об_разцов при давлении 2,8 МПа_

Обр. U, мм/с Т*, K lj, мм Т K Ф*10"4, К/см Тд, к 1д, мм Т i max (T), к 1max? мм Х*103 ,см2/с

без сажи 9 0,007 24 1,87 63 0,009 38 0,009 0,50

7,6 441 -7 0,027 -0,006 696 -20 13,31 -1,77 1451 -76 0,079 -0,007 2426 -37 0,307 -0,036 2,07 -0,47

0,1% С 9 0,007 12 4,62 65 0,031 27 0,017 0,61

8,2 446 0,027 703 14,91 1499 0,070 2418 0,275 2,17

-8 -0,010 -16 -6,00 -63 -0,015 -33 -0,015 -0,78

Видно, что сажа не влияет на параметры температурного профиля исследованного пороха. При исследованном давлении максимальная температура с учетом теплопотерь термопарой излучением (-600К) уже достигает термодинамического значения (-3000 К).

По полученным данным быш составлен тепловой баланс к-фазы по формуле (1).

Таблица 2. Тепловой баланс к-фазы

Образец q^, Дж/г Qк , Дж/г е*,%

без сажи 79 509 87

0,1% сажи 84 515 86

*е - относительная доля QK в тепловом балансе к-фазы = 100 QK/(QK + q^), %

Из табл. 2 видно, что величина QK вносит определяющий вклад в тепловой баланс к-фазы, и следовательно, в ней протекает лимитирующая стадия горения.

Таким образом, излучение высокотемпературной пламени не оказывает заметное влияние на конденсированную зону непосредственно под поверхностью горения для прозрачного пороха и для образца с сажей. Вероятно, это связано с тем, что над поверхностью прозрачного образца в качестве промежуточных продуктов образуются сажистые частицы, которые поглощают излучение.

Библиографический список:

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

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

3. Марголин А.Д., Фогельзанг А.Е. О горении тетрила. / А.Д. Марголин, А.Е. Фогельзанг. - Физика горения и взрыва. - 1966. -N2. - с.10-20.