Выбор материала наполнителя для пассивных фильтров-охладителей пиротехнических газогенераторов

УДК 662.161

ВЫБОР МАТЕРИАЛА НАПОЛНИТЕЛЯ ДЛЯ ПАССИВНЫХ ФИЛЬТРОВ-ОХЛАДИТЕЛЕЙ ПИРОТЕХНИЧЕСКИХ ГАЗОГЕНЕРАТОРОВ

В.В. Писаренко, О.Ю. Антонов, С.Н. Вагонов, И.В. Тартынов, Е.П. Поляков

Рассмотрены свойства основных конструкционных материалов фильтров-охладителей, а также процессы теплопередачи при различных величинах относительного массового расхода через тело фильтра-охладителя. Проведено моделирование распределения температурного поля в теле модельного устройства, на основании чего показана эффективность применения различных материалов при некоторых величинах расхода. Проведена оценка эффективности работы фильтрующе-охлаждающих устройств, определены требования к характеристикам наполнителей фильтров-охладителей, на основании проведенного моделирования даны рекомендации по выбору снаряжения фильтров-охладителей.

Ключевые слова: пиротехнический газогенератор, инертный газ, теплообмен, температурное поле, азотгенерирующий состав

Процессам изучения тепломассопереноса в пористых телах посвящено немало работ [1, 4, 6], однако во многих из них суть исследований сводится к вопросам экспериментальных или теоретических исследований применительно к конкретным материалам или конструкциям. Для инженера-проектировщика наиболее востребованным могут являться рекомендации по применению конструкционных материалов в тех или иных случаях, а также прикладных инженерных расчетов.

В основе проектирования сложных энергетических систем, таких как пиротехнические газогенераторы, помимо построения конструкции и выбора свойств газогенерирующего заряда, остро встает вопрос о разработке фильтра-охладителя с пассивным наполнителем.

Пассивные фильтры-охладители являются неотъемлемой частью ПГГ и наиболее эффективной с точки зрения охлаждения и очистки продуктов сгорания. Вопросам классификации посвящены также некоторые работы, в том числе и применительно к ПГГ [2], а также более подробно рассмотрены различные схемы выполнения конструкции фильтров-охладителей [3].

Основные механизмы изучения процессов теплопередачи сводятся, как правило, к поиску коэффициентов, определяющих интенсивность теп-лопереноса [4], а также к обобщению результатов статистических исследований, посвященных вопросам соотношений конструкционных параметров и выходных характеристик фильтров [5]. Продолжая исследования в данном направлении необходимо в качестве конечной цели выделить рекомендации по выбору материала для применяемого наполнителя фильтров-охладителей, используемых для снаряжения азотгенерирующих ПГГ.

Для формирования подхода к выбору материалов необходимо продемонстрировать картину распределения температурного поля в пористом теле, контактирующим с цилиндрическим корпусом, в качестве которого выступает реальный фильтр-охладитель в ПГГ. Характер распределения температурного поля зависит от следующих величин:

- относительный массорасход газа через тело фильтра-охладителя;

- разность начальных температур газовой фазы и окружающей среды;

- пористость фильтра-охладителя;

- относительное удлинение конструкции.

Относительный массорасход О , показывает количество газа, протекающее через единичный слой фильтра, и определяет дальнейший характер распределения температур.

Разность начальных температур является начальным условием для расчета поля температур и определения эффективности охлаждения.

Пористость фильтра-охладителя определяет падение давления на фильтре, а также интенсивность истечения и охлаждения газа.

Относительное удлинение конструкции показывает характер изменения температурного поля в различных направлениях. Влияние удлинения продемонстрировано расчетным путем в работе [5]. Так при определенной величине удлинения, эффективность снижения температуры по длине фильтра - охладителя остается постоянной, но габариты и масса фильтра при этом существенно возрастают.

Рассматривая температурное поле фильтра охладителя для различных случаев течения через пористое тело, можно определить основные требования к материалу, наполняющему фильтр. С этой целью на рис. 1 представлена картина температурного поля, показывающая распределение температур в различных участках, как в радиальном, так и в осевом направлении при величинах относительного расхода до 0,00035 кг-м2/с.

Рис. 1. Характер изменения температурного поля по длине фильтра-охладителя при минимальных величинах массорасхода

75

Из приведенной схемы видно, что по мере увеличения координаты вдоль фильтра-охладителя температура в радиальном и осевом направлении стремятся к выравниванию. Соответственно при увеличении удлинения, температурное поле вырождается в прямую линию, при уменьшении - охлаждение не будет эффективным. Это объясняется рассеиванием тепла с торцев фильтра, так как площадь торцев при малом удлинении сравнима с площадью рассеивания стенок. В некоторых работах [5] показано, что для малых величин расхода, преобладающим фактором, обеспечивающим эффективное рассеяние тепла при минимальном удлинении, является теплоемкость материала, так как скорость процессов теплообмена сравнительно невысока.

При повышенных значениях относительного массорасхода (до значений 0,03 кг-м /с), картина распределения температурного поля меняется, как показано на рис. 2.

\ ' ч, \ \ \ \ \ \. \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ X N. \ \

6

\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\ Рис. 2. Характер изменения температурного поля по длине фильтра-охладителя при повышенных величинах массорасхода

При таких условиях разность температур на оси фильтра и на его стенке достаточно велика, при этом при малых удлинениях (<1) существенного эффекта снижения температуры не наблюдается, в том числе и из-за резкого снижения теплообмена за счет конденсации паров воды, при больших удлинениях возможно спекание срединной части фильтра и изменение его пористости за счет низкой интенсивности отвода тепла к стенкам.

Для улучшения характеристик охлаждения в описанных условиях необходимо применять материал с большей эффективностью теплопередачи, с целью эффективного отвода тепла от центра к его стенкам, так как в этом случае боковая поверхность является наиболее эффективной с точки зрения отвода тепла [6]. Для выбора материала необходимо провести анализ основных конструкционных материалов, применяемых в качестве наполнителей фильтров.

Характеристики основных конструкционных материалов, применяемых в качестве наполнителя в фильтрах-охладителях, сведены в таблицу.

Характеристики основных конструкционных материалов, применяемых в качестве наполнителя

Наименование материала Удельная теплоемкость С, Дж/(кг-К) Коэффициент теплопередачи X, Вт/(м-К) Термостойкость, К Насыпная плотность, кг/м3

Дробь чугунная ДЧЛ 540 50 1280 4300

Сталь легированная 95Х18 483 24 1769 4200

Сталь нержавеющая 12Х18Н9Т 515 23 1450 4200

Сплав латунный Л96 389 245 1070 4350

Сплав титановый ВТ-6 728 11,7 1370 3700

Сплав вольфрамовый ВК-60 134 173 3380 3500

Борид кобальта гранулированный (БКГС) 1080 32 1460 3700

Песок кварцевый ГОСТ 8736 835 0,3 1050 1350

По приведенным данным видно, что в случае малых расходов наибольшей эффективностью поглощения тепла обладают борид кобальта, песок и титановые сплавы. При выборе материала, для решения таких задач стоит обращать внимание на термостойкость и массу получаемой засыпки. В случае невысокого температурного градиента, оптимальным выбором является кварцевый песок, при более высокой температурной напряженности стоит применять гранулированный борид кобальта. Применение титановых сплавов для решения таких задач ограничено, как правило, сложностью получения дисперсного материала и стоимостью его изготовления. Латунные сплавы обладают низкой термостойкостью и при этом высокой насыпной плотностью заряжания.

В случае высоких расходов наиболее эффективными являются латунные и вольфрамовые сплавы, однако на практике их применение не рационально, вследствие высокой стоимости. Как правило, такие материалы применяются в виде порошковых спеков или сетчатых структур. В практике конструирования ПГГ предлагается использовать комбинацию из бори-да кобальта и дроби чугунной, которая дает во многом сходный результат по эффективности теплопередачи, а также эффективна по удельному весу, термостойкости и стоимости.

При моделировании процесса теплообмена на модельном фильтре-охладителе, имеющем диаметр 83 мм и длину 80 мм, использовались зависимости, представленные на рис. 3 и рис. 4.

77

Т,К 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400

300 200

012345678

Z,CM

Рис. 3. Зависимости изменения температурного поля в модельном

фильтре-охладителе при G= 0,0003 кгм2/с: Т1, Т3,Т3' Т5 - температура газа на оси фильтра для наполнителей: песок кварцевый, БКГС, сплав латунный Л96, сплав титановый ВТ-6, соответственно; Т2, Т4, Т6,Т6' - температура газа на стенке

фильтра

Т,К 1200 1100 1000 900 800 700 600

500

400

300 200

012345678

Z,см

Рис. 4. Зависимости изменения температурного поля в модельном

фильтре-охладителе при С= 0,03 кг-м2/с: Т1, Т3,Т3' Т5 - температура газа на оси фильтра для наполнителей: комбинация из БКГС и ДЧЛ, сплав латунный Л96, песок кварцевый, сплав вольфрамовый ВК-60 соответственно; Т2, Т4, Т6,Т6' - температура газа на стенке фильтра

По полученным зависимостям видно, что в случае малых расходов применение кварцевого песка вполне обосновано, так как разница между эффективностью снижения температуры по сравнению с титановым сплавом невелика, БКГС существенно лучше снижает температуру, но оба материала обладают большим удельным весом по сравнению с кварцевым песком, а также большей стоимостью. При высоких расходах существенной разницы между латунным сплавом и вольфрамовым сплавом не выявлено, комбинация из засыпки БКГС и последующей прослойки из чугунной дроби несколько снижает эффективность фильтра, но снижает стоимость его изготовления.

Одновременно проведено моделирование поведения латунного сплава при малых расходах (графики Т3' и Т6' на рис. 3) и кварцевого песка при больших расходах (графики Т3' и Т6' на рис. 4). В результате расчета видно, что эффективность этих материалов ниже рекомендованных, наиболее отчетливо прослеживается низкая эффективность теплопередачи к стенке фильтра и образование зоны возможного спека материала.

Применение прочих материалов целесообразно при снижении термодинамической температуры в камере сгорания или ресиверной камере перед входом в фильтр до значений ниже 700 К, но при сохранении удель-

'у

ного расхода в пределах 0,00035 кг-м /с.

Таким образом, в результате проведенного исследования получены практические рекомендации к выбору материалов наполнителя фильтра-охладителя для азотгенерирующих ПГГ, рассмотрен процесс распространения тепла при различных скоростях газового потока в фильтре, проведено моделирование процесса теплопередачи и дано обоснование применение конструкционных материалов в реальных конструкциях фильтров.

Список литературы

1. Разработка гранулированного теплопоглощающего материала для охлаждения высокотемпературного газового потока продуктов сгорания твердого топлива / В.Б. Вихман, В. А. Поляков, В.И. Петрусев, В.С. Муха-медов, И.В. Тартынов, С.В. Вихман // Труды МИТ. 2006. Т. 7. 369 с.

2. Антонов О.Ю., Тартынов И.В., Вагонов С.Н.Способы охлаждения газов в пиротехнических газогенераторах // XIV Всероссийская научно-техническая конференция студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых. 2015.

3. Способы охлаждения газов в пиротехнических газогенераторах / О.Ю. Антонов, И.В. Тартынов, С.Н. Вагонов, Н.М. Вареных // Материалы VI конференции «Современные проблемы пиротехники». 2015.

4. Бортников Р.А. Разработка низкотемпературных твердотопливных газогенераторов с инертными теплообменниками: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Пермь, 2010. 18 с.

5. Коломин А.Е. Теоретическое обоснование создания газогенераторов на твердом топливе с порошкообразными емкостными охладителями: дис. ... канд. техн. наук. Пермь, 2006.

6. Математическая модель тепловых процессов и методика исследования теплоотдачи в пористом цилиндре / Ю.А. Кирсанов, Р.А. Назипов, В. А. Данилов, Г.В. Башкирцев // Известия Самарского научного центра Российской Академии наук, 2010. Т. 12. № 4.

Писаренко Владислав Валерьевич, инженер-конструктор 3 категории, ms.ivts@rambler.ru, Россия, Московская область, Сергиев Посад, АО «ФНПЦ «НИИ прикладной химии»,

Антонов Олег Юрьевич, заместитель начальника отдела, ms. ivts@rambler.ru, Россия, Московская область, Сергиев Посад, АО «ФНПЦ «НИИ прикладной химии»,

Вагонов Сергей Николаевич, канд. техн. наук, заместитель генерального директора по НИОКР, ms.ivts@rambler.ru, Россия, Московская область, Сергиев Посад, АО «ФНПЦ «НИИ прикладной химии»,

Тартынов Игорь Викторович, начальник отдела, ms. ivts@rambler.ru, Россия, Московская область, Сергиев Посад, АО «ФНПЦ «НИИ прикладной химии»,

Поляков Евгений Павлович, д-р техн. наук, проф., ms.ivts@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

THE CHOICE OF MATERIAL FILLERS FOR PASSIVE FILTERS-COOLERS FOR PYROTECHNIC GENERATORS

O. Y. Antonov, V. V. Pisarenko, S.N. Vagonov, I.V. Tartynov, E.P. Polyakov

The properties of basic construction materials, cooling filter, and heat transfer processes at different values of the relative mass flow rate through the body of the cooling filter were considered. The simulation of the distribution of the temperature field in the body of the model device was held, and on its' basis it is shown the efficiency of various materials at some flow rates. The evaluation of the effectiveness of the filtering and cooling devices was held, the requirements to the characteristics of the fillers of filter-coolers were designated; the recommendations on the choice of equipment for filters - chillers were given due to the carried out simulation.

Key words: a pyrotechnic gas generator, noble gas, heat transfer, the temperature gradient, nitrogen generation composition.

Pisarenko Vladislav Valerevich, design engineer, ms. ivts@rambler. ru, Russia, Sergiev Posad JSC "FSPC"Institute of Applied Chemistry",

Antonov Oleg Yurievich, deputy chief, ms. ivts@rambler. ru, Russia, Sergiev Posad, JSC "FSPC"Institute of Applied Chemistry",

Vagonov Sergei Nikolaevich, candidate of technical science, deputy general director, ms. ivts@rambler. ru, Russia, Sergiev Posad, JSC "FSPC"Institute of Applied Chemistry",

Tartinov Igor Viktorovich, Head of Department, ms. ivts@rambler. ru, Russia, Sergiev Posad, JSC "FSPC"Institute of Applied Chemistry",

80

Polyakov Evgeniy Pavlovich, doctor of technical science, professor, ms. ivtsarambler.ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 662.17:623.454.5

КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ПИРОТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ ОТ УПРАВЛЯЕМЫХ РАКЕТ

С.Н. Вагонов, С.В. Брыксин, А. А. Митин, А.В. Южалин

Приводятся конструктивные особенности ложных тепловых целей, основанных на принципе активно-реактивного старта. Представлена описательная модель конструктивного решения ложной тепловой цели с двигателем.

Ключевые слова: высокоточное оружие, ложная тепловая цель, летательный аппарат, головка самонаведения, устройство выброса, сила отдачи.

За последний период в мире созданы, и продолжают создаваться новые средства поражения летательных аппаратов (ЛА). Основными из них по-прежнему являются переносные зенитные ракетные комплексы (ПЗРК). Оптические головки самонаведения (ГСН) новых управляемых ракет (УР) ПЗРК основаны на принципе кинематической селекции цели и функционируют в широком диапазоне электромагнитного излучения. Противодействие этим видам вооружения невозможно без создания новых средств защиты.

Как в России, так и за рубежом, в настоящее время одним из наиболее эффективных средств защиты ЛА от ПЗРК являются пиротехнические ложные тепловые цели (ЛТЦ). В России ведущим институтом, разрабатывающим и создающим такого вида изделия, является АО ФНПЦ «НИИ прикладной химии». На базе института разработаны ЛТЦ калибров 26 мм, 50 мм, 140 мм.

Все ложные тепловые цели основаны на принципе активного старта. ЛТЦ представляет собой патрон (рис. 1), который состоит из корпуса 3, в донную часть которого установлена электрокапсюльная втулка 5. В корпусе размещены пиротехнический элемент 4, кольцо уплотнительное 2, крышка 1.

Патрон фланцем корпуса фиксируется в стволе устройства выброса (УВ). Электрическая цепь инициирования обеспечивается поджатием контактов втулки к контактной группе УВ. При подаче электрического тока на контактную группу УВ срабатывает втулка. Под воздействием продуктов сработавшей втулки воспламеняются пиротехнические элементы, раскатывается корпус, сбрасывается крышка и происходит выброс пиротехнических элементов в окружающее пространство с обеспечением заданных характеристик.