Зависимость скорости горения от различных факторов

Зависимость скорости горения от различных факторов

Линейная и массовая скорость горения зависит от:

- геометрических  размеров заряда (диаметра);

- внешних условий (температуры и давления);

- дисперсности  ГС (размера частиц);

- наличия примесей.

Для смесевых систем дополнительно оказывают влияние:

- химическая природа  компонентов, их теплофизические  характеристики;

- соотношение компонентов  и дисперсность каждого из  них.

Горение происходит в результате передачи соседнему слою тепла, выделившегося в реагирующем слое. Одновременно с выделением тепла происходят потери его в окружающую среду.

Горение протекает стационарнолишь в том случае, если количество тепла, отдаваемое соседнему слою, и теплопотери уравновешиваются теплоприходом за счет реакции.

Если суммарная теплоотдача становится больше, чем теплоприход, то горение оказывается не возможным.

При уменьшении диаметра заряда количество тепла, выделяемого в единицу времени, уменьшается пропорционально квадрату диаметра. Теплоотдача также уменьшается, но медленнее- она пропорциональна поверхности теплоотвода, т.е. первой степени диаметра. При некотором значении диаметра теплоприход не может компенсировать теплопотери и горение затухает.

Критическим диаметром горения называют минимальный диаметр, при котором ещё возможно горение. Критический диаметр не постоянная величина, он зависит не только от природы ВВ, но и от условий горения, в первую очередь от давления, начальной температуры, плотности заряда и дисперсности кристаллов.

● Повышение температуры и давления снижают критический диаметр горения, увеличивают скорость горения, уменьшают потери в окружающую среду.

Для учета влияния температуры заряда на скорость горения существует ряд эмпирических выражений типа:

U=U0 × exp[B(T-T0)],

где В – температурный коэффициент, он зависит от свойства ВМ и равен: В=(0,8÷1,4) ×10-3, град-1.

Своеобразное влияние на возможность горения оказывает плотность порошкообразных ВВ.

Так, плавящиеся ВВ (тетрил) затухают при уменьшении плотности до некоторого значения, неплавящиеся ВВ (нитроклетчатка) могут затухать при увеличении плотности выше максимальной величины. И в том, и в другом случае причиной затухания является увеличение теплоотвода из зоны реакции в исходное ВВ и снижение температуры и скорости реакции (за счет проникновения расплава в пористое вещество и за счет увеличения теплопроводности соответственно).

Как правило, создание предельных условий приводит к неустойчивому пульсирующему горению. При этом слабо прогретый слой ВМ саморазогревается, вспыхивает, отдает тепло следующему слою и т.д.

Важнейшей характеристикой порохов и ракетных топлив является закон горения – зависимость скорости горения от давления. Эту зависимость можно представить в виде эмпирического уравнения:

U = a + в × рν

где а, в и ν – эмпирические коэффициенты.ν

Закон горения определяют экспериментальным путем для определенного диапазона давлений. При других давлениях он может изменяться. Для порохов и ТРТ важнейшим параметром является показатель степени ν. При устойчивом горении 0≤ν≤1. Если ν›1, то горение происходит с ускорением и может перейти в детонацию. Коэффициент «а» в значительной мере зависит от процессов, протекающих в конденсированной фазе, коэффициент «в» – в газовой.

Для большинства летучих ВВ (нитроглицерин, ТЭН) процессы идущие в концентрированной фазе не играют существенной роли, и закон горения имеет вид:

U=в × рν

Это объясняется тем, что теплота испарения летучих ВВ значительно уступает энергии активации процесса. Но при высоких давлениях, процесс превращения может перейти в конденсированную фазу.

Для нелетучих ВМ (бездымные пороха) в конденсированной фазе происходит разложение веществ до промежуточных газообразных продуктов (газификация) которые потом воспламеняются.

Пороха и ТРТ по своей химической природе представляют собой смесевые взрывчатые системы, которые горят более устойчиво при повышенных давлениях и температурах, чем их компоненты в отдельности. БВВ имеют малые коэффициенты ускорения процесса горения и с этой точки зрения переход горения в детонацию у них затруднен. Однако они имеют пористую структуру или находятся в жидком состоянии, что способствует возникновению дополнительного ускорения массовой скорости горения за счет увеличения его эффективной поверхности горения. Из-за этого горение может стать неустойчивым и перейти в детонацию. Однако не всякое непористое твердое БВВ может использоваться как порох.

Кристаллические БВВ, отличающиеся малой механической прочностью, при разрушении кристаллов также приведут к резкому увеличению поверхности горения и переходу горения в детонацию. Поэтому пороха должны изготовляться из механически прочных, аморфных, часто высокополимерных БВВ, которые сохраняют форму и поверхность горения при воздействии высоких давлений и перепадов температур.

 

Лабораторная установка по определению скорости горения порохов или твердого ракетного топлива

 

Бомба постоянного давления (бомба Кроуфорда).

Экспериментальные методы определения скорости горения.

Скорость горения можно определить различными методами. Оптическими – с помощью фоторегистров, фото-кинокамер, электрическими. Температуру или даже профиль температур во фронте горения изучают с помощью термопар. Две термопары позволяют определить также и скорость горения.

Толстостенный стальной сосуд с довольно большим внутренним объемом (2-5 литров), герметично закрывающейся крышкой и прозрачными окнами из толстого стекла. Основное назначение такой бомбы – изучение закономерности нормального горения ВВ и порохов. Бомбы изготавливают в нескольких вариантах (до5000 атмосфер). Строго говоря, давление в бомбе при горении не остается постоянным, но из-за большого внутреннего объема оно изменяется незначительно.

С помощью установки постоянного давления можно определить:

а) скорость горения при различных постоянных давлениях, на основании чего устанавливается закон скорости горения в испытуемом интервале давлений;

б) зависимость процесса горения от начальной температуры образца от +60°С до -60°С (интервал температур определяется в основном исходя 
из условий возможного практического использования данного вида пороха 
или ТРТ).

в) состав продуктов горения в зависимости от давления (данная зависимость необходима для выяснения механизма горения);

г ) профиль температур в зоне горения. 

 

Конструкция камеры сжигания и система, обеспечивающая получение и поддержание постоянного давления в камере сжигания, представлены на рисунке 1.

Камера сжигания представляет собой толстостенный сосуд 
цилиндрической формы, имеющий смотровое окно (9), крышку (4) с 
электровводами (2) и предметный столик (10).

На предметном столике устанавливается испытуемый образец (8). К образцу подводится электроспираль (7) и штырьковое приспособление, состоящее из двух штырей и контактов (6). Крышка с предметным столиком вставляется в корпус (II) камеры сжигания. Герметизация камеры сжигания осуществляется с помощью прижимной гайки (3).

Получение и поддержание давления в камере сжигания осуществляется с помощью системы, состоящей из баллона с азотом и буферного баллона, соединенных с помощью трубопроводов через соответствующие вентили с камерой сжигания и атмосферой. Для контроля давления в камере сжигания используется стрелочный манометр.

Длязамера времени горения на контрольном участке образца в качестве датчиков используется штырьковое приспособление (рис.2), которое состоит из двух штырьков (2) и двух контактов (1). Штырьки вплотную подводятся к испытуемому образцу (3).

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2-Внешний вид установки по

определению скорости горения

образцов конденсированных ЭМ 

 

При горении образца, когда фронт горения проходит уровень штырьков, последние под давлением упругой силы нижних лепестков контактов будут перемещаться и контакты размыкаться.

 

 

 

 

 

 

 

 

Сигнал от контактов, через преобразователь сигнала датчиков (рис. 4) поступает на частотомер ЧЗ-34 А. Интервал времени в секундах между размыканиями контактов, соответствующий времени горения на контрольном участке считывается с табло частотомера.

Зная время прохождения фронта горения по контрольному участку и величину контрольного участка, определяется скорость горения. 

 

Вычисление скорости горения твердого топлива производится по формуле:

U=l/t,

Где:

l-расстояние между  штырьками, мм;

t- время, определенное с помощью частотомера, с.

Современные методы измерения и обработки параметров горения энергетических материалов

Манометрическая бомба.

Или бомба переменного давления. Давление в ней создается при сгорании исследуемого вещества в замкнутом объеме небольшой величины. В такой бомбе легче достичь весьма высоких давлений, она позволяет определять не только большинство баллистических характеристик порохов ВВ, но и состав газов. Широко применяется при исследовании устойчивости горения.

Традиционная система измерения и обработки параметров горения ЭМ, в недалеком прошлом, состояла в следующем:

В заряд ЭМ, сформированный каким-либо образом, устанавливалась одна или несколько термопар. Аналоговый сигнал от термопар через усилитель подавался на вход светолучевого шлейфового осциллографа. Действие светолучевого (шлейфового) осциллографа основано на использовании зеркального гальванометра – магнитоэлектрического (при записи изменяющихся силы тока и напряжения) или электродинамического (при записи мгновенных значений мощности) в сочетании с оптической системой. Обычно состоит из набора шлейфов – гальванометров в виде лёгкой петельки из очень тонкой проволоки с укреплённым на ней небольшим зеркальцем, помещаемым между полюсами постоянного магнита оптической системы (содержащей осветитель, линзы, диафрагмы, зеркальный барабан развёртки, экран визуального наблюдения), и приспособления для протяжки носителя записи (или светочувствительной бумаги или фотоплёнки), на котором фиксируются отклонения светового луча, отражённого зеркалом гальванометра. При помощи светолучевого осциллографа можно регистрировать одновременно до 64 процессов (по числу имеющихся шлейфов). После фиксации процесса на фотобумагу последняя проявлялась, а полученные величины отклонения оптического сигнала после их обработки и сравнения с эталонными переводились в значения температуры процесса горения.

В настоящее время, в связи с появлением компьютерных технологий,

система измерения и обработки параметров горения ЭМ значительно упростилась. В этой системе светолучевой осциллограф был заменен на цифровой осциллограф. Ниже приведен пример использования аналогово-цифрового преобразователя для изучения процессов горения.

Рисунок 5-Принципиальная схема системы измерения и

оцифровки сигнала.

Аналоговый сигнал, снимаемый с термопары, обрабатывается аналого-цифровым преобразователем (АЦП, плата L-780), и в виде цифрового сигнала отображается на мониторе персонального компьютера программой «PowerGraph», типичный вид сигналов от двух термопар представлен на рисунке 8.

 

 

 

 

Рисунок 4 – Окно программы «PowerGraph».

Запись сигналов двух термопар, установленных в заряде ЭМ. 

 

Предварительно термопары калибруются. Типичный вид окна калибровки термопар приведен на рисунке 

 

Затем строится калибровочный график для каждой термопары.

Рисунок 6- Калибровочный график термопар 

 

Программное обеспечение (ПО) «PowerGraph» (Разработчик ООО «Интероптика-С», Россия) предназначено для записи, визуализации, обработки и хранения аналоговых сигналов, регистрируемых с помощью Аналого-Цифровых Преобразователей (АЦП). ПО «PowerGraph» позволяет использовать персональный компьютер в качестве стандартных измерительных и регистрирующих приборов - вольтметров, самописцев, осциллографов, спектроанализаторов и др.

Назначение ПО «PowerGraph»:

- Сбор данных  с различных измерительных устройств  и приборов.

- Регистрация, визуализация  и обработка сигналов в режиме  реального времени.

- Редактирование, математическая обработка и анализ  данных.

- Хранение, импорт  и экспорт данных.