Способ оценки взрыво- и пожароопасности химических источников тока
METHOD FOR ASSESSMENT OF EXPLOSION AND FIRE HAZARD OF CHEMICAL CURRENT SOURCES

Изобретение относится к области производства и испытаний химических элементов питания и может быть использовано для оценки их взрыво- и пожароопасности при эксплуатации.
Химические источники тока (ХИТ) имеют высокую плотность энергии и, как следствие, высокую взрыво- и пожароопасность в экстремальных условиях эксплуатации [1]. Оценка взрыво- и пожароопасности ХИТ важна для минимизации разрушительного воздействия на аппаратуру и обслуживающий персонал в нештатных ситуациях.
Взрывоопасность высокоэнергетических событий оценивается энергией взрыва или тротиловым эквивалентом - мерой энерговыделения, выраженной в массе тринитротолуола (тротила), выделяющей при взрыве равное количество энергии [2]. Пожароопасность ХИТ определяется количеством теплоты, выделяемой при воспламенении и полном выгорании элементов ХИТ (электродов, электролита, корпуса и т.п.) [1, 2].
Известен способ определения взрывоопасности (бризантности) порошкообразных, гранулированных, литых, прессованных, пластичных, жидких и вязкотекучих индивидуальных взрывчатых веществ по обжатию свинцового цилиндра или медного крешера при взрыве заданной навески взрывчатого вещества [3] и способы определения взрывоопасности (фугасности) с помощью свинцовой бомбы, баллистической мортиры и маятника [4].
Известен метод расчета тротилового эквивалента взрыва газо-паровоздушной смеси по удельной теплоте сгорания [5].
Известен способ определения характеристик взрывоопасности (фугасности) боеприпаса, включающий генерацию воздушной ударной волны посредством взрыва боеприпаса и фиксацию изменения геометрических характеристик объекта-свидетеля, подвергаемого воздействию ударной волны. В качестве объекта-свидетеля используют горизонтальную площадку, содержащую слой деформируемого материала с заданными механическими характеристиками [6].
Известно устройство - манометрическая бомба - для исследования горения порохов и взрывчатых веществ [7].
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ определения взрыво- и пожароопасности литиевых ХИТ при повреждении корпуса прокалыванием или пробиванием острым предметом [8].
Недостатком известного решения является невозможность количественной оценки взрыво- и пожароопасности ХИТ.
Техническим результатом настоящего изобретения является количественная оценка взрыво- и пожароопасности ХИТ в виде цилиндрических батарей при пробивании корпуса острым предметом.
Технический результат изобретения достигается тем, что разработан способ оценки взрыво- и пожароопасности химических источников тока в виде цилиндрической батареи, включающий пробивание корпуса цилиндрической батареи острым предметом. Пробивание корпуса цилиндрической батареи осуществляют по ее диаметру заостренным металлическим стержнем диаметром (4÷5) мм в манометрической бомбе. В манометрической бомбе измеряют зависимость давления от времени. Длину заостренного металлического стержня выбирают из соотношения L:D≥1.1, а взрыво- и пожароопасность цилиндрической батареи определяют из соотношений:
где L - длина заостренного металлического стержня, м;
D - диаметр цилиндрической батареи, м;
взр
Q - количество теплоты, выделяемое при взрыве цилиндрической батареи, Дж;
3
V - величина свободного объема манометрической бомбы, м;
k - показатель адиабаты газообразных продуктов горения цилиндрической батареи;
1
p - величина пикового давления в манометрической бомбе в момент пробивания цилиндрической батареи заостренным металлическим стержнем, Па;
0
p - начальное давление в манометрической бомбе, Па;
- масса тринитротолуола, взрыв которой эквивалентен взрыву цилиндрической батареи, кг;
THT
q=4.52 МДж/кг - удельная теплота взрыва тринитротолуола;
гор
Q - количество теплоты, выделяемое при горении содержимого цилиндрической батареи, Дж;
2
р - максимальное значение давления в манометрической бомбе, Па.
Сущность изобретения поясняется схемой (Фиг. 1). На Фиг. 1 представлена схема манометрической бомбы для оценки взрыво- и пожароопасности ХИТ в виде цилиндрической батареи при пробивании ее корпуса заостренным металлическим стержнем. Манометрическая бомба содержит цилиндрический корпус 1 диаметром 120 мм, крышку 2, кольцевую гайку 3 и уплотнитель 4. По оси крышки установлено пиротехническое устройство, которое состоит из втулки 5, переходника 6 и пробки 7. Втулка 5 имеет центральный канал диаметром 5 мм, в котором размещают заостренный металлический стержень 8 диаметром 4.5 мм и длиной 50 мм (диаметр цилиндрической батареи не более 35 мм). В переходнике 6 устанавливают электрический капсюль-воспламенитель 9, а в полости 10 размещают навеску пороха 18 массой 0.1 г. В пробке 7 по оси установлен электрод 11 в изоляторе 12. На боковой поверхности корпуса 1 установлен датчик давления 13 и узел выпуска газа 14 с шаровым клапаном 15. Цилиндрическую батарею 16 закрепляют на текстолитовой подложке 17 и устанавливают напротив пиротехнического устройства.
1
1
2
Вид типичной кривой изменения давления при пробитии цилиндрической батареи показан на Фиг. 4. Взрыву цилиндрической батареи соответствует пиковое значение давления p в момент времени пробития корпуса t. Последующий рост давления до значения р связан с горением содержимого цилиндрической батареи. Затем, по мере остывания газов, давление в манометрической бомбе уменьшается.
Достижение положительного эффекта изобретения обеспечивается следующими факторами.
1. Использование заостренного металлического стержня диаметром 4÷5 мм при пробивании корпуса цилиндрической батареи вызывает внутреннее короткое замыкание, обеспечивая максимальное выделение энергии. При диаметре заостренного металлического стержня менее 4 мм инерции стержня может не хватить для пробития цилиндрической батареи, либо он может расплавиться под действием больших токов, вызванных коротким замыканием. При диаметре заостренного металлического стержня более 5 мм потребуется большое усилие для пробивания корпуса цилиндрической батареи, особенно при наличии корпуса из нержавеющей стали.
2. Использование заостренного металлического стержня с отношением его длины L к диаметру цилиндрической батареи D в соотношении L/D≥1.1 обеспечивает полное пробивание корпуса батареи с замыканием всех обкладок и выделением максимального количества энергии.
1
0
1
3. При пробивании корпуса цилиндрической батареи заостренным металлическим стержнем в момент времени t происходит взрыв, сопровождающийся практически мгновенным повышением давления от начального значения p=0.1 МПа до пикового давления взрыва p (Фиг. 4).
Теплота, выделяемая при взрыве ХИТ в манометрической бомбе постоянного объема при отсутствии тепловых потерь через стенки манометрической бомбы, расходуется только на повышение внутренней энергии газа:
взр
где Q - количество теплоты, выделяемое при взрыве ХИТ, Дж;
ΔU - изменение внутренней энергии газа, Дж;
1
0
U, U - конечное и начальное значения внутренней энергии газа, Дж.
Внутренняя энергия газа определяется формулой [9]:
3
где ρ - плотность газа, кг/м;
V
C - удельная теплоемкость газа при постоянном объеме, Дж/(кг⋅К);
Т - температура газа, К.
Из уравнения состояния Менделеева-Клапейрона [9] следует:
где p - давление газа, Па;
R - газовая постоянная, Дж/(кг⋅К).
P
V
Подставляя (6) в (5), с учетом уравнения Майера R=C-C [9], для внутренней энергии газа получим выражение:
Р
где С - удельная теплоемкость газа при постоянном давлении, Дж/(кг⋅К).
Продукты горения ХИТ представляют собой смесь преимущественно двухатомных газов, для которых значение показателя адиабаты k=1.4 [9].
Тогда выражение (4) с учетом (7) примет вид:
1
взр
Формула (8) позволяет рассчитать энергию взрыва ХИТ по измеренному значению пикового давления взрыва p. Для оценки взрывоопасности ХИТ удобно использовать массу тринитротолуола (тротила) , при взрыве которой выделяется энергия взрыва ХИТ Q.Расчет  проводится по формуле:
тнт
где q=4.52 МДж/кг - удельная энергия взрыва тротила [2].
1
1
2
2
4. При воспламенении и горении ХИТ давление в манометрической бомбе повышается от значения p (в момент взрыва t) (Фиг. 4), до максимального давления р (достигаемого в момент времени t). Полагая, что тепло, выделяемое при горении ХИТ в манометрической бомбе постоянного объема при отсутствии тепловых потерь, расходуется только на повышение внутренней энергии газа, по аналогии с тепловыделением при взрыве ХИТ получим выражение (3):
гор
где Q - количество теплоты, выделяемое при горении содержимого ХИТ.
Пример реализации
3
Для оценки взрыво- и пожароопасности ХИТ в виде цилиндрической батареи была изготовлена манометрическая бомба со свободным объемом V=0.002 м (Фиг. 1, 2).
Реализация способа осуществляется следующим образом.
1
2
При подаче электрического импульса на электрод 11 (Фиг. 1) срабатывает электрический капсюль-воспламенитель 9 и воспламеняется навеска пороха 18. Образующиеся газы выталкивают заостренный металлический стержень 8 из канала втулки 5. При срабатывании пиротехнического устройства давление в бомбе поднимается менее чем на 0.01 МПа. Заостренный металлический стержень 8 пробивает батарею 16 и упирается в подложку 17. При пробивании батареи 16, заостренный металлический стержень 8 замыкает внутренние обкладки батареи и вызывает короткое замыкание, сопровождающееся мощным электрическим разрядом. При этом развивается высокая температура и происходит выброс паров электролита батареи 16 (взрыв батареи), ее разрушение и последующее горение. Этот процесс сопровождается изменением давления в манометрической бомбе, которое фиксируется датчиком давления 13. По кривой изменения давления в манометрической бомбе определяются давления p, р и по формулам (1) и (2) рассчитывается энергия взрыва ХИТ и ее тротиловый эквивалент, а по (3) - энергия, выделившаяся при горении. После измерений газы удаляются из бомбы при помощи узла выпуска газа 14.
На Фиг. 3 показан вид цилиндрической батареи до и после испытаний.
1
2
1
2
0
На Фиг. 4 показано изменение давления в манометрической бомбе при пробивании заостренным металлическим стерженем батареи модели Minamoto ER34615M напряжением 3.6 В. Диаметр батареи 34 мм, высота 61.5 мм, масса 109 г. На Фиг. 4 время начала процесса t=0.23 с, время достижения максимального давления t=0.92 с, пиковое значение давления p=0.415 МПа, максимальное значение давления р=4.322 МПа (начальное давление p=0.1 МПа).
Количество теплоты, выделяемое при взрыве батареи:
масса тринитротолуола, взрыв которой эквивалентен взрыву батареи:
т.е. взрыв батареи модели Minamoto ER34615M соответствует взрыву 0.35 г тринитротолуола.
Величина тепловыделения при горении батареи:
1
2
1
2
0
На Фиг. 5 показано изменение давления в манометрической бомбе при пробивании батареи модели CSC93DD напряжением 3.9 В. Диаметр батареи 33.5 мм, высота 111.5 мм, масса 216 г. На Фиг. 5 время начала процесса t=0.09 с, время достижения максимального давления t=1.16 с, пиковое значение давления p=5.28 МПа, максимальное значение давления р=10.2 МПа (начальное давление р=0.1 МПа).
Количество теплоты, выделяемое при взрыве батареи:
масса тринитротолуола, взрыв которой эквивалентен взрыву батареи:
т.е. взрыв батареи модели CSC93DD соответствует взрыву 5.73 г тринитротолуола.
Величина тепловыделения при последующем горении батареи:
Приведенный пример доказывает, что при реализации предлагаемого способа оценки взрыво- и пожароопасности ХИТ достигается положительный эффект, заключающийся в следующем.
1. Способ позволяет оценить взрывоопасность ХИТ при пробивании острым предметом (внутреннем коротком замыкании), определяя энергию взрыва и массу тринитротолуола, взрыв которой эквивалентен взрыву батареи.
2. Способ позволяет оценить пожароопасность ХИТ, определяя количество теплоты, которое выделяется при горении ХИТ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Нижниковский, Е.А. Современные электрохимические источники тока. М.: Изд-во Радиотехника, 2015. 288 с. Бесчастнов М.В. Промышленные взрывы. Оценка и предупреждение. М.: Химия, 1991. 432 с.
2. Бесчастнов М.В. Промышленные взрывы. Оценка и предупреждение. М.: Химия, 1991. 432 с.
3. ГОСТ 5984-80 Вещества взрывчатые. Методы определения бризантности. - М.: Издательство стандартов, 1984.
4. ГОСТ 4546-81 Вещества взрывчатые. Методы определения фугасности. - М.: ИПК Издательство стандартов, 1998.
5. Расчет процессов горения и взрыва: учебное пособие / В.А. Портола, Н.Ю. Луговцева, Е.С. Торосян. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012. - 108 с.
6. Патент РФ №2595033, МПК F42B 35/00, G01N 33/22. Способ определения характеристик фугасности боеприпаса / Сидоров И.М., Карасев С.В., Колтунов В.В., Заборовский А.Д., Ватутин Н.М. - Опубл. 20.08.2016.
7. Похил П.Ф., Мальцев В.М., Зайцев В.М. Методы исследования процессов горения и детонации. М.: Наука, 1969. - 301 с.
8. Нижниковский Е.А. Обеспечение взрывобезопасности литиевых химических источников тока. // Электрохимическая энергетика. 2001. Т. 1, №3. С. 39-44.
9. Вукалович М.П., Новиков И.И. Техническая термодинамика. М.: Энергия, 1968. - 496 с.