Визуальное изучение процесса горения твердого топлива

НОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ

УДК 621.78:622.279.51

ВИЗУАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

А.Р. МУХУТДИНОВ Казанский государственный энергетический университет

Представлены результаты визуального изучения процесса горения твердого топлива (ТТ) аммиачно-селитренного состава (АСС) в жидкой и газовой средах при возрастающем давлении. Установлено влияние на визуально наблюдаемые закономерности процесса горения ТТ окружающей среды и добавок. Выявлены особенности процесса горения образцов состава на основе аммиачной селитры в условиях жидкой среды и давления. Проведено обсуждение полученных результатов.

Введение

В последнее время твердые топлива (ТТ) находят широкое применение в различных технических системах и технологиях, где они эксплуатируются как в газовой, так и в жидкой средах при высоком давлении. При изучении процесса горения ТТ весьма информативным является визуальный метод с непосредственной регистрацией процесса, что позволяет качественно обнаружить структуру поверхности зоны горения и сопутствующие этому эффекты. Визуальному изучению процесса горения ТТ в условиях окружающей газовой среды и давления, посвящено значительное количество работ [1-8]. Однако визуальная картина процесса горения ТТ в жидкой среде мало изучена. Поэтому визуальное изучение процесса горения ТТ для выявления его особенностей и закономерностей в таких условиях несомненно важно и полезно, что предопределению целесообразность постановки данного исследования.

Методика и оборудование эксперимента

Визуальное изучение картины процесса горения ТТ в жидкой среде при возрастающем давлении проводилось в бомбе переменного давления с регистрацией процесса методом фотографической съемки с помощью цифровой техники.

Основой стендовой установки (рис. 1), является манометрическая бомба переменного давления внутренним объемом 0,3 л, состоящая из корпуса 2 и двух оптических окошек из органического стекла 3, 8. При этом одно окошко 8 имеет электроввод для подачи электрического тока к спирали узла воспламенения сжигаемого образца 9, который устанавливается в бомбе таким образом, что его неорганическое стекло оптически плотно прилегает к другому окошку 3. Для повышения качества фотоснимков выполняется дополнительная подсветка образца 4, 7. Фотографирование процесса горения осуществляется цифровой фотокамерой типа EOS 350D Digital. Фотокамера размещается по оси оптических окошек за предохранительным щитом. Съемка производится в ручном режиме с расстояния 0,036 м с выдержкой 1/30 секунды при полностью открытой диафрагме. Фиксирование картины и изменения давления во времени процесса

© А. Р. Мухутдинов

Проблемы энергетики, 2007, № 1-2

горения ТТ осуществляется на регистрирующей аппаратуре (6), состоящей из блока сопряжения (БС) и ПЭВМ с программным обеспечением.

Рис. 1. Схема стендовой установки: 1 - предохранительный клапан; 2 - корпус манометрической бомбы; 3, 8 - оптическое окошко; 4, 7 - лампа осветительная; 5 - фотокамера; 6 - регистрирующая аппаратура; 9 - образец, закрепленный на кварцевом стекле; 10 - датчик давления; 11 - крышка

ТГ

а) б)

Рис. 2. Картина процесса воспламенения образца в жидкой (а) и газовой (б) средах

Сравнительное фотографическое изучение процесса горения осуществлялось на опытных образцах ТТ состава (мас. %): аммиачная селитра (АС) - 72; бихромат калия (БК) - 3; эпоксидный компаунд (ЭК) - 25. В опытах использовалось кварцевое стекло диаметром 0,03 м и толщиной 0,003 м, на котором в специальной оправе-формочке формировался образец ТТ. Герметичное покрытие, состоящее из слоя ЭК, обеспечивало надежную защиту от влияния жидкой среды и давления, а также прочное крепление исследуемого образца к кварцевому стеклу. Воспламенение и сжигание образцов ТТ осуществлялось как с верхнего, так и с нижнего торца при возрастающем давлении от атмосферного (0,1 МПа) до 10 МПа. Результаты фотографического изучения представлены на фотоснимках рис. 2-5.

Результаты экспериментов и их обсуждение

Картина процесса воспламенения образца с верхнего торца в жидкой и газовой средах представлены на рис. 2. В жидкой среде воспламенение происходит практически одновременно по всей торцевой поверхности образца (рис. 2, а), а в газовой - локально, на среднем участке поверхности заряда (рис. 2, б).

Фронт горения в жидкой среде имеет более гетерогенную структуру и низкую яркость в виде отдельных, локально-светящихся по всей поверхности горения точек -пламен, в то время как в газовой среде наблюдается очаговый характер с более ярким свечением зоны воспламенения, которая затем медленно расширяется по торцевой поверхности. Указанную особенность воспламенения с верхнего торца образца АСС можно объяснить тем, что наличие малосжимаемой жидкой среды над поверхностью воспламенения образца создает высокое давление продуктов сгорания воспламенителя, которые, как бы “зажатые” между торцом заряда и слоем жидкости, обеспечивают практически одновременное воспламенение всей поверхности заряда. В случае воспламенения образца в газовой среде, из-за быстрого отвода и потерь тепла газообразных продуктов сгорания воспламенителя, процесс воспламенения образца начинается в более благоприятной высокотемпературной зоне, т.е. только непосредственно в средней части поверхности образца. Таким образом, можно заключить, что при прочих равных условиях в жидкой среде обеспечивается более стабильное и надежное воспламенение всей поверхности образца, чем в газовой среде.

а) б)

Рис. 3. Картина процесса горения образца ТТ в жидкой (а) и газовой (б) средах

Картина процесса горения ТТ с верхнего торца в жидкой и газовой средах представлена на рис. 3. Для образцов, горение которых протекает в жидкой среде, характерно равномерное распространение плоского фронта горения,

сопровождающееся низкой яркостью и однородностью свечения, что подтверждает стабилизирующую, повышающую устойчивость процесса горения роль окружающей жидкой среды для АСС. При горении образцов в газовой среде, наоборот, им присуща более вогнутая поверхность фронта горения, сопровождающаяся высокой яркостью и однородностью свечения, что свидетельствует о более высокой температуре в зоне горения. Толщина зоны горения образцов в жидкой среде в пределах скоростей горения (0,6...0,8)*10^ м/с примерно в два раза меньше, чем в газовой.

Характерной особенностью картины горения исследуемых образцов, особенно при воспламенении и сгорании их с нижнего торца заряда, является то, что на первой стадии, при малых значениях давления (0,1...1 МПа), можно достаточно четко отметить выделение отдельных пузырьков

газообразных продуктов горения (рис. 4), которые по мере всплытия сливаются в более крупные пузырьки. С увеличением давления количество и интенсивность выделяемых пузырьков увеличивается, но размеры их значительно уменьшаются. Это явление можно наблюдать визуально, однако на фотографиях оно, как правило, не всегда фиксируется. Выделение значительного количества небольших газовых пузырьков приводит к насыщению жидкости и образованию газожидкостной смеси.

Рис. 4. Картина процесса горения образца АСС

а) б)

Рис. 5. Горение в жидкой среде образца АСС с различными добавками: а) СаСО3; б) К2Сг2О7

В аналогичных условиях (воспламенение и сжигание образцов с нижнего торца заряда) изучалось влияние на картину процесса горения образцов состава добавки мела (СаСО3, рис. 5, а), которая, исходя из [9], является стабилизатором, и добавки БК (К2Сг2О7, рис. 5, б), служащей катализатором [10]. Картина горения образцов состава с этими добавками имеет различный характер. Фронт распространения волны горения образца с добавкой мела по сравнению с добавкой БК имеет более выровненную поверхность и однородную структуру, что подтверждает стабилизирующую, повышающую устойчивость процесса горения роль добавки мела для АСС. Для образца с добавкой БК присуща более вогнутая поверхность и неровная структура зоны горения, вследствие увеличения отдельных очагов пламен, из впадин и выступов, число которых увеличивается с повышением давления. Исходя из того, что исследуемые добавки ингибитора и катализатора в составе приводят к существенным изменениям формы и структуры поверхностных слоев горящего образца, можно полагать, что основным местом действия этих добавок является конденсированная фаза.

Таким образом, в условиях жидкой среды и давления картина процесса горения АСС существенно отличается от картины процесса горения в газовой среде. Фронт горения в жидкой среде имеет более низкую яркость и однородность свечения, а толщина зоны горения существенно ниже, чем в газовой. При малых скоростях горения наблюдается выделение газовых пузырьков, с увеличением давления и

скорости горения ТТ размеры и количество газовых пузырьков уменьшаются и при достижении некоторых значений происходит образование моногазового пузыря. Установлено, что в условиях жидкой среды и давления ингибирующий эффект добавки (СаСО3) в АСС является следствием создания выровненного фронта и однородной структуры зоны горения, обеспечивающие общую устойчивость и стабильность. В этих условиях каталитический эффект добавки (К2Сг2О7) проявляется в создании вогнутой, неровной поверхности фронта и гетерогенной структуры, способствующих интенсификации процесса горения. Подобное поведение добавок указывает на то, что основным местом действия их на характеристики горения является конденсированная фаза.

Выводы

Выявлены особенности влияния окружающей жидкой среды и давления на картину процесса горения образца АСС:

- обеспечивается более стабильное и надежное воспламенение образца;

- размер реакционной зоны горения существенно уменьшается, а фронт горения имеет сравнительно низкую яркость и однородность свечения.

Summary

Results of visual studying ofprocess of burning offirm fuel are submitted on the basis of nitrate of ammonium in liquid and gas environments at growing pressure. Influence on visually observably laws of process of burning of firm fuel of an environment, additives is established. Features of process of burning of samples of structure are revealed on the basis of nitrate of ammonium in conditions of the liquid environment and pressure. Discussion of the received results is carried out.

Литература

1. Андреев К.К. Термическое разложение и горение взрывчатых веществ. -М.: Наука, 1966. - С.105.

2. Беляев А.Ф., Беляева А.Е. ЖФХ, 20, 1381 (1941).

3. Бахман Н.Н., Беляев А.Ф. Горение гетерогенных конденсированных систем.

- М.: Наука, 1967. - С.127.

4. Похил П.Ф., Рысакова О.П., Ромоданова Л.Д. // Журнал физической химии.

- 1962. - Т.34 - № 6. - С. 784.

5. Абруков С.А., Марченко Г.Н., Максимов Н.Н., Бабанаков Б.А. К вопросу о роли диспергирования при горении конденсированных систем смесевого типа// Физика горения и взрыва. - 1976. - № 1. - С. 26-31.

6. Глазкова А.П. К вопросу о причине аномалий при горении перхлората и нитрата аммония // Физика горения и взрыва. - 1968. - № 3. - С. 314-322.

7. Мальцев В.М., Мальцев М.И., Кашпоров Л.Я. Основные характеристики горения. - М.: Химия, 1977. - 298 с.

8. Шелухин Г.Г., Булдаков В.Ф., Белов В.Г. Экспериментальные исследования процесса горения гетерогенных конденсированных систем // Физика горения и взрыва. - 1969. - Т.5 - № 1. - С. 42.

9. Карькина В.И. Технология баллиститных порохов. - М.: Наука, 1974. -

123 с.

10. Глазкова А.П. Катализ горения взрывчатых веществ. - М.: Наука, 1976.

- 263 с.

Поступила 20.10.2006