Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Низкотемпературные газогенерирующие топлива, пиротехнические газообразующие составы и устройства газогене рации 19
1.1 Специальные требования, предъявляемые к газогенерирующим элементам для порошковых огнетушителей 19
1.2 Получение низкотемпературных газообразных продуктов в режиме горения 21
1.2.1 Составы для генерации азота 22
1.2.2 Составы для генерации диоксида углерода 33
1.2.3 Составы для генерации газовых смесей 34
1.3 Конструкции газогенерирующих устройств 37
1.4 Выводы по главе 1 41
Глава 2. Обоснование и разработка нового способа получения низкой температуры генерируемого газа 43
2.1 Закономерности горения пористых систем 43
2.2 Устойчивость горения пористых зарядов при фильтрации продуктов горения через пористое вещество 55
2.3 Разработка способа получения низкотемпературных газов при горении пористых зарядов 61
2.4 Экспериментальная проверка возможных режимов горения газогенерирующих составов 66
2.5 Выводы по главе 2 73
Глава 3. Экспериментальные исследования горения газогенерирующих составов в режиме вынужденной фильтрации продуктов горения через несгоревшую часть пористого заряда 74
3.1 Методика проведения испытаний 74
3.2 Основные направления компоновки рецептур газообразующих составов 75
3.3 Исследование закономерностей горения газообразующего пористого состава ГСП-15 81
3.4 Выводы по главе 3 106
Глава 4. Разработка математической модели работы газогенерирующих устройств фильтрационного типа 108
4.1 Моделирование ГГУ с высокой пористостью заряда 108
4.2 Моделирование работы ГГУ со средней пористостью заряда и учетом фильтрационных затруднений 123
4.2.1 Результаты численных расчетов максимального давления газа на стадии инициирования 130
4.2.2 Анализ процесса распространения волны горения 135
4.2.3 Анализ закономерностей квазистационарного этапа горения 136
4.3 Моделирование работы ГГУ при наличии реакционно-способного расплава 146
4.3.1 Теоретический анализ закономерностей горения пиротехнического состава в фильтрационном газогенераторе 146
4.3.2 Результаты численных расчетов 153
4.3.3 Приближенный анализ процесса работы фильтрационного газогенератора 160
4.4 Обсуждение экспериментальных результатов по определению характеристик работы газогенераторов низкотемпературных газов 163
4.5 Выводы по главе 4 165
Глава 5. Проектирование схемы и разработка конструкции газогенерирующих устройств фильтрационного типа 169
5.1 Проектирование схемы газогенерирующих устройств фильтрационного горения 170
5.2 Пиротехнические газогенерирующие устройства с температурой газа на выходе 150 С для порошковых огнетушителей 171
5.2.1 Газогенераторы, работающие в режиме полной фильтрации газа через заряд 171
5.2.2 Газогенератор с частичным отводом газов. Способ регулирования скорости горения. 179
5.2.3 Газогенерирующие элементы для порошковых огнетушителей ОП-2(г) и ОП-5(г) 180
5.3 Оптимизация эксплуатационных параметров работы газогенераторов фильтрационного типа 194
5.4 Выводы по главе 5 198
Глава 6. Горение и технология пиротехнических аэрозоле образующих огнетушащих составов (АОС) 200
6.1 Существующие АОС, их основные характеристики и недостатки 200
6.2 Методика проведения исследования АОС 214
6.3 Обоснование выбора исходных компонентов, характеристика сырья и материалов 219
6.4 Термодинамические исследования горения АОС 225
6.5 Исследование закономерностей горения АОС 234
6.5.1 Влияние рецептурных факторов на скорость горения АОС и выход аэрозоля 234
6.5.2 Влияние удельного давления прессования на плотность зарядов и скорость горения 239
6.5.3 Исследование высоты пламени при горении АОС 242
6.5.4 Влияние охлаждающих добавок на горение АОС 247
6.6 Выбор технологии изготовления зарядов АОС 251
6.7 Оптимизация рецептуры АОС 256
6.8 Основные характеристика АОС, генерирующего хлориды щелочных металлов и образующегося аэрозоля 266
6.9 Выводы по главе 6 271
Глава 7. Генераторы огнетушащего аэрозоля 273
7.1 Основные характеристики ГОА, их недостатки 273
7.2 Основные принципы компоновки конструкций ГОА 287
7.3 Перспективные варианты конструкций ГОА 292
7.3.1 Конструкция ГОА с огнепреградительными сетками и выпускным конусом 292
7.3.2 Конструкция ГОА с аэрозоле отводящим каналом внутри заряда АОС 293
7.3.3 Конструкция ГОА с интенсивным подогревом заряда генерируемым аэрозолем 295
7.3.4 Конструкция ГОА с использованием канального блочного охладителя 299
7.4 Основные характеристики ГОА 302
7.5 Выводы по главе 7 303
Заключение 304
Список использованных источников 308
Приложения 340
- Специальные требования, предъявляемые к газогенерирующим элементам для порошковых огнетушителей
- Закономерности горения пористых систем
- Методика проведения испытаний
- Моделирование ГГУ с высокой пористостью заряда
- Проектирование схемы газогенерирующих устройств фильтрационного горения
Введение к работе
Актуальность работы. Во всех странах и во все времена борьба с пожарами являлась трудной, но жизненно важной государственной задачей. Успешное ее решение во многом связано с созданием и использованием новых экологически безопасных и высокоэффективных огнетушащих средств.
Использование процессов горения для тушения пожаров возможно либо в опосредованном виде (в качестве химических источников рабочего давления в порошковых или импульсных огнетушителях), либо непосредственно для тушения (путем генерации огнетушащих аэрозолей или инертных газов).
Порошковое пожаротушение. Порошковые средства пожаротушения в виду универсальности их использования и высокой огнетушащей способности нашли широкое применение в отечественной практике и за рубежом.
В зависимости от способа создания рабочего давления различают три основных типа порошковых огнетушителей: закач-ной, с газобаллонным устройством (ГБУ) и с газогенерирующим устройством (ГГУ).
Огнетушители с газогенератором имеют существенные преимущества перед огнетушителями с газовым баллоном и перед огнетушителями закачного типа:
надежность работы, долговечность и безопасность при хранении (давление в корпусе огнетушителя отсутствует);
простота перезарядки огнетушителя (не требуется компрессорное оборудование);
- увеличение срока до регламентной перезарядки огнетуши
теля (срок службы газогенератора не менее 10 лет).
Основные достоинства газогенераторов перед газобаллонными устройствами:
- высокая надежность срабатывания за счет невозможности
утечки газа при длительном хранении;
- возможность обеспечения при необходимости высоких
скоростей наддува (2-3 м /сек), за счет применения высокоэнер-
гетичных газообразующих составов;
- большие гарантийные сроки хранения (10-15 лет);
существенное упрощение технического обслуживания во время эксплуатации из-за отсутствия необходимости контроля утечки газа;
низкая металлоемкость изделий, так как рабочее давление газогенераторов 2-4 МПа, тогда как у ГБУ - 10-15 МПа и газоге-
нерирующие устройства не требуют применения толстостенных металлических корпусов.
В настоящее время в качестве огнетушащих порошковых составов (ОПС) используются легкоплавкие соединения с температурой плавления 80-100 С, способные подавлять горение жидкостей и твердых веществ, в том числе материалов, горение которых сопровождается тлением. Чтобы не вызывать агрегирование подобных ОПС и обеспечить полноту их выброса, температура газа на выходе из газогенерирующего устройства не должна превышать 150 С.
Однако для существующих пиротехнических генераторов характерен высокий уровень температуры генерируемого газа. Даже при использовании различных типов охладителей температура газа составляет 300-400 С, что существенно ограничивает область их применения и вынуждает применять в ряде случаев газобаллонные устройства.
В связи с этим весьма актуальной представляется проблема создания нового типа газогенерирующих устройств, вырабатывающих газы высокой чистоты с температурой не более 150 С, что в несколько раз меньше существующего температурного уровня.
В зависимости от состава генерируемого газа такие газогенераторы, кроме снаряжения порошковых огнетушителей, могут быть использованы для наддува индивидуальных средств спасения (жилеты, лодки), снаряжения портативных газосварочных аппаратов (кислород, водород), дыхательных аппаратов (кислород), распыления дисперсных и жидких средств с низкой температурой плавления (смеси инертных газов) и др.
Аэрозольное пожаротушение. В практике пожаротушения в закрытых помещениях одним из наиболее эффективных является способ подавления пожара, при котором во всем объеме защищаемого объекта создается среда, не поддерживающая процесс горения. Перспективным является использование новой разновидности средств объемного пожаротушения — генераторов огнетушащего аэрозоля (ГОА). В этом случае огнетушащий аэрозоль образуется при горении специальных аэрозолеобразую-щих огнетушащих составов (АОС). Образующиеся продукты горения в виде взвеси солей металлов в инертном газе обладают высокой огнетушащей способностью.
Однако существующие в настоящее время устройства генерируют аэрозоли в виде взвеси токсичных оксидов щелочных металлов, а в газообразных продуктах кроме азота и углекислого газа, содержатся продукты неполного окисления горючих в виде угарного газа, аммиака, цианидов и оксиды азота. Поэтому перед запуском существующих ГОА обслуживающий персонал должен быть выведен из помещения. А это - потеря времени при пожаре, причем в самый ответственный начальный момент. Кроме того, оксиды щелочных металлов во влажной атмосфере легко гидролизуются, а образующиеся щелочи наносят ущерб оборудованию. Наконец, работа ГОА без охладителя характеризуется наличием значительного пламени, а при использовании охладителя — резко снижается огнетушащая способность аэрозоля и возрастает его токсичность. Это сдерживает широкое внедрение высокоэффективных аэрозольных систем в практику пожаротушения.
Таким образом, весьма актуальной является проблема создания экологически безопасного генератора огнетушащего аэрозоля. Первоочередной задачей на этом пути является получение такого аэрозоля, в котором человек мог бы безопасно находиться длительное время без каких-либо неприятных ощущений (першения в горле, слезоточивости глаз и т.п.), и который, в то же время, обладал бы хорошей огнетушащей способностью.
Исследования выполнялись в рамках: программы работ ГКНТ СМ СССР и ВЦСПС на 1981-1985 гг.; программы работ на 1986-1990 гг., утвержденной постановлением президиума ВЦСПС и ГКНТ СМ СССР № 555 от 30.10.1985 г.; региональной научно-технической программы «Конверсия и высокие технология»; региональной научно-исследовательской программы «Развитие научного и технологического потенциала Самарской области» на 1995 — 1997 гг.; плана научно-исследовательских работ Секции прикладных проблем при Президиуме РАН, и программы Государственного контракта от 16.05.2002 г. № 1244; гранта Минобразования России по фундаментальным исследованиям в области технических наук ТО 2-12.3-1302; программы Министерства образования РФ, тема 205.05.01.123; региональной научно-технической программы «Развитие научно-технического и инновационного потенциала Самарской области: 2001-2005 гг.».
. Цель работы. Решение проблемы получения низкой температуры рабочих газов для наддува порошковых огнетушителей за счет разработки нового способа сжигания пористых газогенерирующих зарядов, а также получения малотоксичных продуктов горения аэрозолеобразующих огнетушащих составов.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи по двум направлениям:
I. Первое направление исследований:
-
Разработка способа получения газов низкой температуры при горении пиротехнических газогенерирующих составов без применения охладителей.
-
Выявление основных закономерностей горения пористых газогенерирующих составов в режиме фильтрации продуктов горения через несгоревшую часть заряда.
-
Создание математической модели процесса горения зарядов с различной пористостью.
-
Изучение влияния рецептурно-технологических факторов и оптимизация рецептур газогенерирующих составов.
5. Разработка конструкций газогенерирующих устройств
фильтрационного типа.
II. Второе направление исследований:
-
Получение основных закономерностей горения аэрозолеобразующих составов, генерирующих хлориды щелочных металлов. Изучение влияния рецептурно-технологических факторов на выходные характеристики АОС.
-
Определение оптимальной рецептуры АОС, обладающей максимальной огнетушащей способностью и минимальной токсичностью продуктов горения.
-
Изучение химического состава газообразных и конденсированных продуктов горения, исследование закономерностей изменения размеров частиц твердой фазы образующегося аэрозоля.
-
Разработка основных принципов компоновки и конструкций генераторов огнетушащего аэрозоля, обеспечивающих охлаждение генерируемого аэрозоля без повышения его токсичности и без увеличения удельного расхода АОС.
Объекты и методы исследования.
В качестве объектов исследования выбраны пористые газо-генерирующие составы, образующие инертные газы и их смеси с низкой температурой, а также аэрозолеобразующие огнетуша-
щие составы, генерирующие малотоксичные хлориды щелочных металлов.
Термодинамические расчеты температуры и равновесного состава продуктов горения проводились с использованием комплекса программ «Thermo», разработанных в Институте структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН и основанных на методе минимизации термодинамического потенциала (энергии Гиббса).
Экспериментальные исследования процессов горения и аэ-розолеобразования проводились с помощью тензометрических датчиков давления и термопар с применением аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Для анализа продуктов горения применялись методы хроматографического, аналитического и микроскопического анализов.
Научная новизна работы.
-
Разработан способ получения в режиме горения чистых газов с температурой, близкой к начальной температуре заряда. Экспериментально подтверждена возможность получения газов с температурой менее 150 С без применения охладителей при фильтрации продуктов горения через пористый заряд.
-
Разработан новый тип пиротехнических газообразующих составов, способных устойчиво, без перехода во взрыв гореть в режиме вынужденной фильтрации продуктов реакции через не-сгоревшую часть пористого заряда и обладающих рядом уникальных свойств, такими как низкая температура генерируемого газа и высокие безопасностные характеристики; доказана возможность использования в данном режиме горения рецептур, не способных к самостоятельному горению по традиционной схеме с кондуктивным теплопереносом.
-
Получены основные закономерности горения пористых газогенерирующих составов в режиме фильтрации продуктов горения через несгоревшую часть заряда.
-
Разработаны математические модели процесса горения пористых систем в условиях вынужденной фильтрации продуктов горения.
-
Разработаны рецептуры и отработана технология изготовления низкотемпературных газогенерирующих составов, устойчиво работающих в фильтрационном режиме горения.
-
Разработаны конструкции газогенераторов фильтрационного типа.
-
Изучены основные закономерности горения АОС, генерирующего хлориды натрия и калия в инертном газе; оптимизирована рецептура состава, обеспечивающего максимальную огне-тушащую способность и минимальную токсичность.
-
Определен химический состав образующегося аэрозоля и получены данные о динамике изменения размера частиц твердой фазы.
-
Сформулированы основные принципы компоновки ГОА, обеспечивающие максимальную чистоту и минимальную температуру генерируемого аэрозоля.
Научная ценность работы заключается в том, что полученные в ней результаты расширяют и углубляют физические представления о процессе горения пористых газогенерирующих составов в режиме фильтрации продуктов горения через несго-ревшую часть заряда, об аэрозолеобразующих огнетушащих составах, генерирующих хлориды щелочных металлов, а также о физико-химических свойствах образующихся аэрозолей.
Практическая значимость.
-
Разработана и всесторонне исследована рецептура газообразующего состава ГСП-15, обладающая высокими безопасно-стными свойствами, не содержащая дорогих и токсичных компонентов, технология приготовления которой предусматривает использование стандартного оборудования.
-
Разработаны газогенераторы с температурой газа на выходе менее 150 С, отличающиеся простотой конструкции и обеспечивающие заданный, в том числе и пульсирующий, расход газа. Предложен способ регулирования скорости горения составов с помощью конструктивных параметров газогенератора.
-
Созданы газогенерирующие элементы для порошковых огнетушителей ОП-2(г) и ОП-5(г), надежные в работе и позволяющие полностью автоматизировать их производство. Газогенерирующие элементы ЭГ-2 изготавливаются в серийном производстве с 1987 года.
-
Разработана рецептура АОС, генерирующая хлориды щелочных металлов в инертном газе с огнетушащей способностью 27-30 г/м3, а также позволяющая тушить все основные классы пожаров (А, В, С, Е), в том числе тлеющие очаги.
-
Отработана технология изготовления зарядов АОС, обеспечивающая образование экологически безопасного аэрозоля.
6. Разработаны конструкции ГОА, изготовлены натурные образцы на Тольяттинском заводе противопожарного оборудования (ТЗПО) ВДПО и проведены испытания в Испытательной пожарной лаборатории ЦУС ФПС ГУ МЧС России по Самарской области.
Научная и практическая значимость работы подтверждена актами внедрения и испытаний.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Результаты экспериментальных исследований горения пиротехнических составов в режиме вынужденной фильтрации продуктов горения через несгоревшую часть пористого заряда.
-
Математическая модель работы газогенераторов фильтрационного типа.
-
Рецептуру и результаты исследований состава ГСП-15.
-
Пиротехнические газогенерирующие устройства с температурой газа на выходе менее 150 С.
-
Закономерности горения АОС, генерирующего хлориды натрия и калия в среде азота, углекислого газа и водяного пара.
-
Рецептура АОС и ее основные характеристики.
-
Конструкции ГОА с регулируемой степенью аэрозолеоб-разования, предусматривающие снижение температуры образующегося аэрозоля за счет перераспределения тепла несгорев-шей части заряда.
Достоверность и обоснованность научных результатов подтверждается использованием современных апробированных и известных методов исследования, корректностью использования законов и математического аппарата теплофизики, термодинамики и газодинамики, контролируемостью условий проведения эксперимента, воспроизводимостью результатов, проверкой их независимыми методами и сравнением с литературными данными, успешным практическим использованием.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, симпозиумах, совещаниях: II Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы взрывобезопасности технологических процессов» (Черкассы, 1985); Всероссийской конференции по конверсии оборонных производств (Самара, 1993); 1-ой Поволжской научно-технической конференции по проблемам двойного применения (Самара, 1995); Международной научно-практической конференции «Проблемы развития автомобилестроения в Рос-
сии» (Тольятти, 1996); Международном семинаре «Пожаровзры-вобезопасность веществ и взрывозащита объектов» (Москва, 1997); Международной конференции «Надежность и качество в промышленности, энергетике и на транспорте» (Самара, 1999); «VI International symposium on SHS» (Haifa, Israel, 2002), Всероссийской конференции «Процессы горения и взрыва в физикохи-мии и технологии неорганических материалов» (Москва, 2002), Международной научной конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» (Кисловодск, 2002), Всероссийских конференциях «I и II Энергетические конденсированные системы» (Черноголовка, 2002, 2004), Межвузовской научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке и образовании» (Самара, 2002), Международной научно-технической конференции «Высокие технологии в машиностроении» (Самара, 2002), Международной конференции «Актуальные проблемы надежности технологических, энергетических и транспортных машин» (Самара, 2003), Всероссийских научных конференциях «Математическое моделирование и краевые задачи» (Самара, 2004, 2005, 2006), III Всероссийской конференции «Современные проблемы пиротехники» (Сергиев Посад, 2004), XIII Симпозиуме по горению и взрыву (Черноголовка, 2005), Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, 2006), XVI Международная конференция «Физика прочности и пластичности материалов» (Самара, 2006).
Результаты диссертационной работы отмечены золотой медалью и дипломом участника 49 Международной выставки инноваций, исследований и новых технологий, «Эврика-2000», г. Брюссель, Бельгия, 2000 г.; почетной грамотой участника 92 Международного салона изобретений «Конкурс Лепин», Париж, Франция, 2001 г.; дипломом Всероссийского открытого конкурса инновационных проектов «Инновация - рыночный продукт», г. Москва, 2002 г.; дипломом Всероссийского открытого конкурса инновационных проектов «Инновация - рыночный продукт», г. Москва, 2002 г.; медалью и дипломом I степени Всероссийской Выставки-ярмарки инновационной деятельности «Иннов-2003», г. Новочеркасск, 2003 г.; серебряной медалью и дипломом почтения и благодарности VII Международного салона промышленной собственности «Архимед - 2004», г. Москва, 30.03 -2.04.2004 г.; дипломом Международной выставки «Expo
Science Europe», г. Дрезден, Германия, 8-15 июля 2004 г.; дипломом IX Всероссийского научно-промышленного форума «Единая Россия», г. Нижний Новгород, сентябрь 2004 г.; дипломом IV Межрегиональной специализированной выставки с международным участием «Промышленный салон», г.Самара, 2005г.
Работа выполнена в Инженерном центре СВС Самарского государственного технического университета.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 39 работ, получено 19 авторских свидетельств и 5 патентов на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованных источников из 308 наименований, приложений. Диссертация изложена на 345 страницах и содержит 109 рисунков и 68 таблиц.
Специальные требования, предъявляемые к газогенерирующим элементам для порошковых огнетушителей
Газообразующие составы (ГС) и элементы газогенерирующие (ЭГ), предназначенные для оснащения порошковых огнетушителей, кроме общепринятых требований [7, 8] должны удовлетворять ряду особых требований, исходя из следующих основных положений:
1. Количество генерируемого газа должно быть достаточным для обеспечения всех параметров технической характеристики порошкового огнетушителя.
2. Температура и состав генерируемого газа не должны оказывать отрицательного воздействия на физическое состояние ОПС, применение которых возможно в огнетушителе.
3. ГС и ЭГ должны быть безопасны при хранении и применении, а также не должны обладать свойствами, позволяющими применять их не по назначению.
4. Конструкция ЭГ должна обеспечивать удобную и быструю перезарядку огнетушителя.
5. По надежности, металлоемкости и экономическим показателям ЭГ должен превосходить заменяемое ГБУ.
Проведенный анализ существующих отечественных и зарубежных ОПС показал, что огнетушащие порошки многоцелевого назначения, применимые для тушения пожаров класса А, В, С, Е, которыми оснащаются переносные порошковые огнетушители, содержат в качестве основы легкоразлагающие соединения [9-12]. Поэтому для исключения возможности локального спекания ОПС и последующего отказа огнетушителя, температура генерируемого газа не должна намного превышать температуры разложения их компонентов (с учетом охлаждения, обусловленного большой удельной поверхностью ОПС). Конкретно эксплуатационные требования формулируются в виде:
- скорость горения состава должна обеспечить длительность набора рабочего давления за 2-5 секунд;
- давление, создаваемое в корпусе огнетушителя должно быть в преде-лах допустимых норм (для ОП-2(г) - 0,8 ± 0,2 МПа, объем газов - 8 ± 2 дм ; для ОП-5(г) -1,2 ± 0,2 МПа, объем газов - 30 ± 3 дм3);
- процесс генерирования газов должен быть стабилен в диапазоне рабочих температур применения огнетушителей (-50-50 С);
- генерируемый газ не должен оказывать отрицательного влияния на ог-нетушащие порошки;
- температура генерируемого газа на выходе ЭГ не должна превышать 150 С, газ не должен содержать раскаленных конденсированных продуктов сгорания;
- газ должен быть негорючим и нетоксичным;
- ГС должен обладать коррозионной нейтральностью к конструктивным материалам огнетушителя;
- температура шлаков не должна приводить к спеканию и агрегированию ОПС на корпусе ЭГ;
- ЭГ должен быть устойчив к вибрационным нагрузкам.
В связи с тем, что газогенерирующий элемент предполагается поставлять в качестве товара народного потребления как элемент самостоятельной поставки, особые требования предъявляются к его безопасности:
- тротиловый эквивалент ГС должен быть близок нулю;
- чувствительность к механическим воздействиям низкая;
- ГС и продукты его горения по своему составу не должны содержать токсичных и агрессивных компонентов;
- при помещении ЭГ и ГС в открытое пламя они должны сгорать без взрыва;
- самосрабатывание ЭГ при механических воздействиях (сбрасывание с высоты 6 м на твердое основание, вибрация, удар) должно отсутствовать.
Из технологических требований необходимо отметить два наиболее важных:
- технология изготовления ГС и ЭГ должна предусматривать использование имеющегося оборудования и удовлетворять условиям серийного производства;
- конструкция ЭГ должна обеспечивать возможность автоматизации процессов их изготовлении и сборки.
Этот комплекс требований и был положен в основу всех дальнейших исследований по теме диссертационной работы.
Закономерности горения пористых систем
Новый способ низкотемпературной газогенерации, разработанный автором диссертации основан на способе сжигания пористых зарядов. Поэтому сначала рассмотрим закономерности горения таких зарядов.
Класс гетерогенно горящих систем чрезвычайно широк и имеет большую и постоянно расширяющуюся область практического применения. Представляется интересным рассмотреть следующие виды горения:
- традиционное (кондуктивное) горение (ТГ);
- конвективное горение (КГ);
- безгазовое горение (БГ);
- фильтрационное горение (ФГ).
Традиционное (кондуктивное) горение - когда тепло из фронта горения в несгоревшую часть заряда передается путем теплопроводности по пористому каркасу (теплопроводностью газовой фазы в несгоревшей части можно пренебречь). Этот режим реализуется при горении пористых зарядов в полузамкнутом объеме зажженных с открытого конца.
Конвективное горение - когда тепло передается преимущественно путем конвекции за счет направленного движения (фильтрации) нагретых продуктов реакции от фронта горения в несгоревшую часть и передачей тепла путем теплопроводности можно пренебречь. Этот режим развивается в замкнутых и полузамкнутых объемах.
Классическим определением фильтрационного горения является горение когда, по крайней мере, один из реагентов является газом и поступает в зону реакции путем фильтрации через пористый каркас.
Конвективное горение можно также отнести к фильтрационному горению, в котором фильтруются не исходные реагенты, а продукты горения. Весьма характерным является то, что все эти виды горения применимы к пористым системам. Отличительной особенностью пористых систем является неупорядоченность их структуры [89, 90]. Даже простое перечисление всех видов переноса в дисперсных пористых системах [91] показывает, что эффективная теплопроводность такой системы является сложнейшей функцией температуры, давления газа, химического состава материала и газа, пористости, размеров и формы частиц и пор, и многих других факторов.
Широкий диапазон изменения скорости горения газопроницаемых топлив [92] свидетельствует о разнообразии видов теплопередачи, определяющих режимы горения таких систем. В общем случае выделяют кондуктивный механизм, конвективный, теплоперенос с излучением и перенос тепла за счет фазовых переходов. Тепловыделение при конденсации может быть значительным даже в том случае, когда затрагивает лишь часть продуктов горения [93]. Причем это тепло не рассеивается по всей зоне прогрева, а выделяется в относительно узкой области. Если же указанная температура велика, то конденсация, по-видимому, способна вызвать зажигание конденсированной фазы.
Согласно теории тепломассообмена [94] в случае конвективного теплообмена при массопереносе, в общем случае, кроме молекулярного переноса массы под действием градиента концентраций (закон диффузии Фика), необходимо учитывать перенос массы за счет термодиффузии (эффект Соре) и баро-диффузию. Особенно интересным представляется то, что эффективный теплообмен в продуваемом пористом теле позволяет локализовать тепло в узких подвижных зонах [95] и в слабо экзотермических системах, собственная энергия которых не допускает развития критических явлений саморегулируемого реакционного переноса, создается возможность для реализации самоподдерживающихся тепловых волн типа волн горения [96].
Методика проведения испытаний
Для испытаний использовался специальный стенд, состоящий из модельного газогенератора и приемной емкости, имитирующий работу газогенери-рующего устройства и обеспечивающий замер всех необходимых параметров работы в соответствии с рисунком 3.1.
75 Замер давления проводится с помощью тензометрических датчиков давления типа ЛХ-412, ЛХ-415 с использованием тензостанции ЛХ-7000 согласно ОСТ В 84-440-71. В качестве регистрирующего прибора применяется шлейф-ный осциллограф Н-117/1 с гальваномерами М 014-1200, М 1005-1200.
Тарировка датчиков проводится перед испытаниями с помощью грузо-поршневого манометра типа МП-2500.
Перед регистрацией процесса подается калибровочное напряжение, причем уровень замеряемого параметра должен составлять 0,65 - 1,0 уровня калибровки. Расхождение высот калибровки до и после опыта не должно превышать 1,0%.
При расчете суммарной погрешности измерения исходили из предположения, что погрешность по абсолютному значению всегда много меньше измеряемой величины, и величина погрешности определялась путем разделения всех суммирующих составляющих на аддитивные и мультипликативные. Погрешность замера давлений не более 8 %.
При замере температуры сигнал от термопары ХК - ХА поступает через промежуточный усилитель «Топаз 3-01» на осциллограф Н-117/1. Градуировка шлейфа проводится по реперным точкам, при этом отклонение светового пятна при замере предполагаемого уровня температуры должно быть не менее 60 мм.
Толщина спая термопар для измерения температуры газа должна быть не более 50-100 мкм.
Замер температуры генерируемого газа производится термопарой, помещаемой непосредственно в газовый поток.
Разработка рецептур газообразующих составов, устойчиво горящих в режиме вынужденной конвенции продуктов реакции через несгоревшую часть пористого заряда, проводилась по двум основным направлениям, отличающимся типами энергетической основы [188].
1. Составы на высококалорийной малогазовой энергетической основе, позволяющей вводить большое количество газифицирующихся веществ (мелами-на, дициандиамила, уротропина), которые и обеспечивают требуемую газопроизводительность. В качестве такой основы выступали смеси окислителей с бором и титаном.
2. Составы на низкоэнергетической основе, способной к горению только в условиях реализуемого способа сжигания и при горении которой выделяется достаточное количество инертных газов. Основа таких составов - смеси окислителей (нитратов калия и бария) с меламином (МА).
В результате было установлено, что общим недостатком всех исследованных рецептур на высококалорийной малогазовой основе является сильная зависимость выходных характеристик (U, Г) от процентного содержания газифицирующихся компонентов. При незначительном изменении рецептурных факторов (в пределах 5%) наблюдается резкий переход от негорючести составов к весьма высокой скорости горения, что затрудняет их практическое применение в товарах массового назначения. Это объясняется высокой минимальной температурой горения (более 1400 С), обуславливающей возникновение конвективного режима.
Моделирование ГГУ с высокой пористостью заряда
На первом этапе разрабатывалась максимально упрощенная модель горения заряда с высокой пористостью [195, 196]. Схема газогенератора представлена на рисунке 4.1.
В трубчатый газогенератор, закрытый с одного из торцов газонепроницаемой крышкой помещается исходная шихта с плотностью р и пористо кистью т. Протяженность области, занятой шихтой, равна L. Инициирование процесса горения производится со стороны крышки, после чего по исходной смеси распространяется фронт реакции. Считается, что в результате взаимодействия исходных реагентов выделяется тепло (Q - на грамм смеси) и образуются конденсированные продукты (v - граммов на грамм смеси), образующие неподвижный пористый каркас, и инертный газ (І-v граммов на грамм смеси). Предполагается, что выделившийся газ свободно, без гидравлического сопротивления фильтруется наружу через несгоревшую часть шихты, а не накапливается внутри газогенератора. Такое предположение справедливо для высокопористых зарядов с очень высокими коэффициентами фильтрации, когда не К - оо требуется использование уравнения фильтрации Дарси.
Для математического описания процесса горения состава в фильтрационном газогенераторе необходимо совместное рассмотрение уравнений баланса энергии для конденсированной и газовой фаз, уравнения сохранения массы газа, а также уравнения выгорания газогенерирующего состава.
gg - массовый расход газа; pg,Vf- количество газовой фазы в единице объема заряда и скорость фильтрации газа; w- скорость реакции разложения газогене-рируещего состава; к0,Е- энергия активации и предэкспоненциальный множитель реакции; Я - эффективный коэффициент теплопроводности; а - коэффициент теплообмена между газовой и конденсированной фазами в законе Ньютона; Sss - удельная поверхность заряда; / - длина заряда; tig - длительность поджигающего импульса; Tig - температура зажигания. Будем считать, что в результате реакции из 1 грамма исходного вещества образуется v - граммов конденсированного продукта и І-v граммов газообразного продукта. Q-тепловой эффект реакции на грамм исходного вещества. Если тепловой эффект реакции не зависит от температуры dQjdT = 0, то теплоемкости исходной шихты с , конденсированного с и газообразного продуктов cg реакции связаны соотношением: с = vc, +(1- v)c . При записи уравнения сохранения энергии в Л-фазе предполагалась степенная зависимость коэффициента теплопроводности Я от плотности конденсированной фазы.
Проектирование схемы газогенерирующих устройств фильтрационного горения
Физическая модель горения ГС предполагает наличие следующей огневой цепи в ГГУ: средство воспламенения - дополнительный воспламенитель - газогенерирующии состав. Средство воспламенения предназначено для преобразования простого начального воздействия (удар, трение, тепловое воздействие от мостика накаливания) в высокотемпературный луч пламени. В связи с требованием получения чистых газов продукты сгорания не должны содержать других газов, кроме генерируемого, а побочные продукты сгорания должны находиться в твердой фазе.
Дополнительный воспламенитель предназначен для надежного и одновременного воспламенения всей рабочей поверхности заряда, его состав также должен исключать возможность получения других газов. Газогенерирующии состав предназначен для получения заданного газа (Л ; СО2) или их смесей, а также суррогатных газовых смесей.
Наряду с элементами огневой цепи газогенератора в схеме ГГУ необходимо иметь фильтр, который предназначается для фильтрации газа, образующегося при сгорании последних слоев ГС, то есть улова частиц твердой фазы, а также жидкой фазы, которые не отфильтровываются несгоревшей частью ГС и шлаками. Схема ГГУ фильтрационного типа для получения чистых холодных газов представлена на рисунке 5.1.
Похожие диссертации на Горение пористых газогенерирующих и аэрозолеобразующих составов для средств пожаротушения
