Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Физические процессы, происходящие при переносе вещества, энергии и импульса 9
1.1. Диффузионная транспортировка вещества. Одномерный диффузионный перенос вещества. Первый закон Фика 9
1.2. Транспортировка вещества в трехмерном пространстве. Второй закон Фика.. 10
1.3. Безразмерные диффузионные критерии 12
1.4. Понятие о диффузионном пограничном слое. Тройная аналогия 12
1.5. Транспортное уравнение теплопроводности Фурье 14
1.6. Коэффициент теплопроводности 15
1.7. Уравнение теплопроводности для трехмерного температурного поля 15
1.8. Безразмерные комплексы для оценки процессов теплопроводности 16
1.9. Транспортные уравнения переноса импульса 17
1.10.Транспортные уравнения переноса импульса Ньютона 17
1.11. Транспортировка импульса в трехмерном пространстве 20
Выводы по первой главе 21
Глава 2. Теоретические основы транспортно-кинетических процессов при горении титана в азоте и техника эксперимента 22
2.1. Диффузионная аналогия энерготехнологических процессов 23
2.2. Кинетическая аналогия энерготехнологических процессов 24
2.3. Энерготехнологическая интерпретация аналогии Рейнольдса 25
2.4. Энерготехнологические координаты 26
2.5. Параметры и безразмерные комплексы, обобщающие энерготехнологические процессы 29
2.6. Физическая интерпретация энерготехнологических координат 34
2.7. Безразмерный параметр Т 34
2.8. Безразмерная величина энерготехнологической эффективности 35
2.9. Безразмерный комплекс Ф 37
2.10. Разрушение твердых тел 38
2.11. Энерготехнологическая интерпретация числа Re 39
2.12. Кинетика импульса 40
2.13. Экспериментально-теоретические исходные данные по горению титана в азоте для вакуумиоования систем J Стр.
2.15. Исходные данные по горению пластин в сухом азоте 44
2.16. Постановка задач, определяющих конструкцию экспериментальной установки
2.16.1. Конструкция экспериментальной установки 46
2.16.2. Исходные данные по горению пластин во влажном азоте
2.17. Техника эксперимента 50
2.18. Работоспособность устройства после длительного хранения 53
2.19. Структура и прочность образцов 55
2.20. Исходные данные при максимальной загрузке газопоглотительного устройства 56
2.21. Состав газа в реакторе после горения 62
2.22. Оценка качества титанового порошка 63
Выводы по второй главе 64
Глава 3. Экспериментальные исследования транспортно-кинетических процессов при горении титана в азоте 65
3.1. Исследования с целью оптимизации транспортно-кинетических процессов при изменении формы образцов титана (форма сплошных цилиндров) 65
3.2. Исследование с целью оптимизации транспортно-кинетических процессов при изменении формы образцов титана (формы втулок) 69
3.3. Сравнение результатов транспортно-кинетических процессов при изменении формы образцов титана 69
3.4. Оптимизация стадии транспортно-кинетических процессов в момент инициирования процесса газопоглощения 73
3.5. Влияние места инициирования на характеристики транспортно-кинетических процессов 73
3.6. Влияние конфигурации расположения воспламенительных таблеток на характеристики транспортно-кинетического процесса 79
3.7. Использование быстрогорящих лент на стадии процесса транспортировки (распространения) фронта горения 83
3.8. Определение параметров кинетического процесса горения титана в азоте 86
3.9. Анализ транспортного (диффузионного) процесса горения титана в азоте 87
З.Ю.Анализ кинетического процесса горения 88
3.11. Оценка качества макрокинетического процесса применительно к разомкнутым системам Выводы по третьей главе 4 Стр.
Глава 4. Применение и исследование температурного режима газопоглотительного устройства 92
4.1. Модернизация экспериментальной установки для исследования транспортировки энергии от газопоглотительного устройства 92
4.2. Температурное поле и характеристики процесса транспортировки тепловой энергии 94
4.3. Оптимизация теплоизоляции газопоглотительного устройства 96
4.4. Отработка конструкции теплоизоляции 96
4.5. Оптимальная конструкция изоляции 98
Выводы по четвертой главе 103
Общие выводы и заключение 105
Литература
- Безразмерные диффузионные критерии
- Безразмерная величина энерготехнологической эффективности
- Влияние конфигурации расположения воспламенительных таблеток на характеристики транспортно-кинетического процесса
- Оптимизация теплоизоляции газопоглотительного устройства
Введение к работе
Актуальность темы. Физические процессы, протекающие при высоких температурах при взаимодействии азота с титаном, вызывают особый интерес в связи с необходимостью отработки процесса горения порошка титана, а актуальность их исследования определяется отсутствием технологий вакуумирования для компактных мобильных установок. Рассматриваемый в данной работе высокотемпературный физико-химический процесс включает инициирование и горение титана в среде азота.
Использование порошка титана для компактных систем вакуумирования обеспечивает технологическому процессу спектр служебных свойств, из которых необходимо выделить: отсутствие энергозатрат от посторонних источников, минимальные массогабаритные характеристики технологического оборудования, незначительное выделение в вакуумируемую среду посторонних примесей, надежность функционирования в течение длительного времени.
В отечественных и зарубежных научных публикациях технология горения (окисления) титана рассматривается в основном с позиции пожаробезопасности. Авторы известных отечественных публикаций отмечают, что постановка и решение задач по пожаробезопасности зависит в основном от изучения двух факторов: инициации (самовозгорания) и кинетики горения титана.
В настоящей диссертационной работе при исследовании физических свойств титанового порошка при высоких температурах применительно к технологии вакуумирования впервые рассматривается и обосновывается комплексный энерготехнологический процесс, который включает: предварительное прессование порошка титана в таблетки до нормируемой плотности, кинетику и транспортировку азота в зону горения, выделение адсорбированных газов, коагуляцию расплавленных частичек титана, изменение структуры прессованных таблеток, изменение прочностных свойств таблеток титана.
Постановка и рассмотрение перечисленного комплекса операций в опубликованных литературных источниках отсутствует. Это определяет актуальность и своевременность задачи, решение которой представлено в настоящей диссертационной работе.
Цель диссертации. Исследование физических процессов, происходящих при взаимодействии азота с титаном в условиях высокотемпературного
синтеза, разработка на этой основе технологии комплексного транспортно-кинетического процесса горения титанового порошка в азоте и создание опытного технологического оборудования для компактных мобильных систем вакуумирования.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
разработка математической модели транспортно-кинетического процесса горения титанового порошка в азоте;
создание экспериментальной установки для определения кинетических зависимостей горения титана;
разработка методики и определение параметров кинетического процесса горения титана в азоте;
разработка теоретических зависимостей макрокинетического процесса применительно к замкнутым и разомкнутым промышленным системам;
отработка теплоизоляции модели газопоглотительного промышленного устройства.
Научная новизна:
-
Впервые на основе математической модели изучен физический процесс горения титана в азоте. Обоснован и исследован, применительно к практическому использованию, способ вакуумирования, базирующийся на высокотемпературном процессе сжигания элементов из порошка титана в азотной среде.
-
Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены оптимальные параметры технологии вакуумирования замкнутых систем объемом 0,07 м3 за время менее 100 с до давления 50 кПа при горении элементов из порошка титана в азотной среде.
-
Впервые экспериментально установлены константы скорости кинетического процесса вакуумирования замкнутых систем при горении порошка титана в среде азота.
-
Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены оптимальные параметры исходных прессованных элементов из титанового порошка. Показано, что плотность прессованных титановых элементов должна составлять 1500...2000 кг/м .
-
Экспериментально определено, что при отжиге (Т=750С, т=1ч) титановых элементов с плотностью 1650 кг/м3 прочность образцов
увеличивается в 2,5 раза, что обеспечивает в промышленном использовании длительность хранения в эксплуатационных условиях.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Математическая модель комплексного физического процесса горения порошка титана в среде азота.
-
Параметры процесса откачки замкнутых герметичных систем на основе высокотемпературного взаимодействия титана с азотом, включая константу скорости процесса вакуумирования.
-
Основные технические характеристики, установленные для титанового геттера: плотность порошка в спрессованных таблетках -1500...2000 кг/м3; гранулометрический состав порошка - остаток на сите 0,045 примерно 85%, а проход через сито 0,28 - около 100%, насыпная плотность исходного титанового порошка - 800 кг/м3.
-
Технология термообработки титановых таблеток при температуре 750С в течение 1 часа, обеспечивающая увеличение их прочности в 2,5 раза.
-
Новая технология откачки мобильной системы, обеспечивающая многократное разовое вакуумирование.
Достоверность научных положений и выводов диссертации основана на экспериментальных данных, полученных на модельных технологических установках, которые согласуются с теоретическими оценками. Достоверность данных обусловлена применением апробированных методик измерений, повторяемостью результатов многократных экспериментов и проверкой разработанной технологии в условиях, приближенных к промышленным.
Практическая значимость.
-
Разработана новая технология вакуумирования и предложена к внедрению в компактных мобильных системах.
-
Новая технология вакуумирования характеризуется минимальными массогабаритными характеристиками, отсутствием внешних энергоисточников и надежностью функционирования при многократном разовом использовании после длительного хранения в режиме готовности, что является определяющим для внедрения в компактных мобильных системах.
-
Разработано модельное устройство с требуемыми характеристиками, которое многократно прошло опытные испытания, максимально
приближенные к промышленным.
Личный вклад автора. Автором лично выполнены все теоретические и экспериментальные исследования, спроектированы исследовательские установки и получены образцы титановых изделий, разработаны методики экспериментальных исследований и обработки их результатов, построена математическая модель физических процессов, происходящих при высокотемпературном взаимодействии титана с азотом. Кроме того, автор лично принимал участие в изготовлении лабораторного оборудования и отработке технологий вакуумирования.
Апробация работы. Основные результаты, представленные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на научных и научно-технических конференциях, в т.ч. на международной конференции «Экологические проблемы утилизации АПЛ и развитие ядерной энергетики в регионе», 2003г., г. Владивосток; International Conference on Maritime Technology ICMT, 2007, Taipei, Taiwan.
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 13 работах, список которых представлен в конце автореферата.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы (64 наименования). Общий объем диссертации 109 страниц, включая 53 рисунка и 19 таблиц.
Безразмерные диффузионные критерии
Вывод уравнения (1.9) аналогичен выводу уравнения (1.6) для транспортировки вещества в трехмерном концентрационном поле. Обычно коэффициенты теплопроводности X, теплоемкости С И ПЛОТНОСТИ р приняты не зависящими от остальных параметров, а величина V2f является оператором Лапласа: V2f = 82t/dx2 + дН/ду2 + d2t/dz2. Комплекс Wcp называется коэффициентом температуропроводности и обозначается а=А7ср. Коэффициент температуропроводности а, имеющей размерность мг/с определяет меру скорости изменения температуры единицы объема тела при прохождении через него теплового потока, пропорционального Л. Коэффициент теплопроводности всех известных веществ является функцией большого числа параметров: температуры, структуры или состояния вещества, внешних воздействий, таких как излучение, магнитное поле, влажность для пористых материалов и др. Поэтому точное определение коэффициента теплопроводности расчетным путем установить очень сложно, и в подавляющем большинстве случаев эти значения определяются экспериментально. Нужно отметить при этом, что и экспериментальное определение коэффициента теплопроводности является достаточно сложной процедурой. Погрешности при его определении в твердых телах составляют до 20%. Необходимо учитывать также, что достаточно точные методы определения коэффициента теплопроводности для различного диапазона температур, различной геометрия образцов и типа твёрдых тел должны быть различны.
Многочисленные теоретические и экспериментальные исследования теплопроводности веществ в различных состояниях позволили к настоящему времени установить ряд общих закономерностей протекания этого процесса. Однако, несмотря на большое число полученных теоретических и эмпирических формул для определения теплопроводности, они содержат или ряд серьезных допущений, или выражены через сложные теоретические функции. Поэтому их можно использовать только для описания уже экспериментально полученных, зависимостей теплопроводности или для ее расчета, если известны многие другие параметры вещества, позволяющие правильно подобрать нужную зависимость.
Рассмотрим безразмерные комплексы, определяющие транспортировку тепловой энергии. Для описания нестационарных тепловых процессов используется безразмерный комплекс ат/12. Этот комплекс обозначается символом Fo и называется критерием Фурье. Fo = ax/l2. (1.10) Если рассматривать величину /2/а как некоторый (естественный для задач нестационарной теплопроводности) масштаб времени, то критерий Фурье можно трактовать как безразмерное время. Действительно критерий Фурье определяется, как отношение масштаба количества теплоты Літ, к масштабу изменения теплосодержания тела ері3. Критерий Фурье является мерой скорости изменения температуры тела при нестационарных тепловых процессах [26-39]. Для сравнения взаимосвязанных процессов молекулярного и конвективного переноса теплоты в потоке жидкости используется безразмерный критерий Пекле W I ре=—. (1.11) а При описании тепловых процессов в пограничном слое используют безразмерный критерий теплоотдачи Нуссельта 4= . (1.12) Критерий Нуссельта характеризует интенсивность теплоотдачи в пограничном слое в сравнении с тепловым потоком, определяемым теплопроводностью жидкости. Аналогичный критерий для определения сравнительных характеристик теплоотдачи в пограничном слое и теплопроводностью стенки называется критерием Био а-/ ВЫ — . (1.13) Необходимо отметить, что транспортные уравнения тепловой энергии, как в одномерном температурном поле, так и в трехмерном температурном поле базируется на гипотезе Фурье о пропорциональности теплового потока градиенту температуры [6-9].
Покажем, что при транспортировке импульса математическое описание процесса аналогично транспортным уравнениям энергии и вещества.
Поток импульса при движении вязкой жидкости подчиняется уравнению -c = -ngrad\/. (1.14) Жидкости, в которых транспортировка импульса подчиняется закону (1.14), называются ньютоновскими. Множитель пропорциональности ц определяет внут 18 реннее трение в жидкости при ее движении и называется коэффициентом динамической вязкости. Размерность этого коэффициента Пас, т.е. размерность импульса отнесенного к единице поверхности трения.
Сущность вязкости жидкости можно выяснить из следующего опыта. Рассмотрим течение между двумя, очень длинными параллельными плоскими пластинами, из которых одна, например нижняя, неподвижна, в то время как другая движется в собственной плоскости с постоянной скоростью U (рис. 1.3).
Безразмерная величина энерготехнологической эффективности
Из уравнения следует, что поток импульса пропорционален градиенту параметра (pW). Отметим, что потоки вещества, энергии и импульса описываются однообразными (аналогичными) уравнениями и соответственно пропорциональны градиентам концентрации вещества (с),энергии (су) и импульса (pW).
При этом в качестве коэффициентов пропорциональности в аналогичных уравнениях используются одноразмерные величины - коэффициенты диффузии D, температуропроводности а, и кинематической вязкости v.
Кинетическая аналогия энерготехнологических процессов Имеем уравнение кинетики dc — = -К{с-ср) = -КАс. (2.4) йт Зависимость показывает, что скорость большинства химических процессов пропорциональна величине отклонения от равновесного состояния [21]. Гипотетически можно представить аналогичную зависимость для преобразования энергии (-температура) = -тСуЄ), (2.5) ах где Су- удельная объемная теплоемкость. Для скорости преобразования импульса имеем аналогичное уравнение = -КЦрЮ. (2-6) ат где W- скорость, определяющая импульс. Отметим, все уравнения однообразны (аналогичны) и определяют преобразования вещества, энергии и импульса в единичном объеме. Принимая во внимание транспортные и кинетические уравнения, выполним энерготехнологическую интерпретацию аналогии Рейнольдса.
Для математического описания энерготехнологических процессов рекомендуется использовать, кроме уравнений транспортных потоков, также зависимости кинетических потоков, определяющие преобразование вещества, энергии импульса на границе раздела фаз в кинетическом слое [3].
Необходимо отметить, что математическое описание кинетических потоков возможно только при введении характерных величин линейных размеров кинетических слоев [А1С,А1К,А1А), так как уравнение кинетики определяет скорость изменений концентрационных преобразований в объеме. Количественные характеристики транспортных потоков вдоль раздела фаз неразрывно связаны с пограничными кинетическими потоками [3].
Впервые Рейнольде в своей аналогии отметил, что при движении потока вдоль жидкой или твердой поверхности вихревое движение не только вызывает массопередачу, но, в следствии переноса тепла турбулентным потоком, служит причиной теплопередачи, а благодаря переносу количества движения обуславливает возникновение трения. Аналогия в энерготехнологической интерпретации имеет следующий вид: КА-А1А-А(Сув)А = КК-А1К -АСК = Кс -Alc-A{pW)c Vmax-A(CVQ) Vmax-AC Vmax-A{pW) Таким образом, в числителе соотношений, формируемых аналогией Рей-нольдса, имеют место кинетические потоки, а в знаменателе - транспортные потоки вещества, энергии и импульса.
В соответствии с концепцией энерготехнологических процессов последние обобщаются формулой в безразмерном виде АФТ Lk= . (2.14) АФг +Т Безразмерные комплексы LK, А, Ф, Г образуют энерготехнологические координаты. LK- безразмерный комплекс энерготехнологической эффективности; Г- безразмерный комплекс, определяющий соотношения транспортных потоков; Ф - безразмерный комплекс, определяющий соотношение между технологическими параметрами транспортировки и преобразования; А - безразмерная величина, определяющая соотношение между кинетической и диффузионной областями. Графическая зависимость LK=f(A,0,T) представлена на рис. 2.2. На поверхности (рис.2.2) можно выделить две области протекания энерготехнологических процессов: кинетическую и диффузионную (транспортную). Диффузионная область - совокупность режимов энерготехнологических процессов, в которых определяющими являются транспортные процессы, математический аппарат для описания этой области базируется на уравнениях переноса импульса, вещества и энергии. Кинетическая область - совокупность режимов энерготехнологических процессов, в которых определяющими являются кинетические процессы. Кинетические процессы носят экспоненциональныи характер и определяются константой скорости, которая в физических явлениях связана с распределением Больцмана, ехр(-Е/кТ), где Е- энергия активации, к- постоянная Больцмана, Г- абсолютная температура. Математический аппарат для описания кинетической области базируется на уравнении кинетики, определяющем скорость преобразования вещества (энергии, импульса), которая прямо пропорциональна отклонению системы от стабилизированного состояния [1].
На границе кинетической и транспортной области расположена область оптимального режима горения титана в азоте. Эта область определяется из анализа функции LK= f(A, Ф, Т), который показывает, что имеется оптимальное соотношение переменных, при котором процессы идут с максимальной эффективностью. При постоянных значениях А и Т оптимальные значения эффективности определяются при параметре Ф, который находиться по формуле
LK = —J-. (2.16)
Анализ оптимальной области горения порошка титана в азоте показывает, что насыпная плотность титанового порошка (800 кг/м3) не соответствует оптимальному значению. Оптимальная плотность титана для технологии вакуумиро-вания должна составлять более 1500 кг/м3. Экспериментально было подтверждено, что оптимальная плотность прессованного порошка титана составляет 2500 кг/м3.
Анализ влияния формы поверхности, на которой идет кинетическая стадия энерготехнологического процесса, показывает, что для плоской и цилиндрической модели имеем одну и ту же формулу в безмерном виде.
Влияние конфигурации расположения воспламенительных таблеток на характеристики транспортно-кинетического процесса
Рассмотрим несколько теоретических зависимостей, позволяющих прогнозировать силовые явления при сложных энерготехнологических процессах. Силовые явления неразрывно связаны с преобразованием импульса. Импульс многообразен. Преобразование вещества из твердого состояния в жидкость, из жидкой фазы в газообразную и далее в плазму связано с одновременным преобразованием импульса. Необходимо отметить, что импульс может быть и не связан с веществом, в этом случае он определяется пространством, силой и временем. Для оценки кинетики импульса предлагается использовать уравнение, аналогичное предложенному нами ранее для преобразования вещества [1], 4. = -К(Р-Рр), (2.38) где Р- текущая концентрация импульса в кинетическом слое, Нс/м3; К- константа скорости преобразования импульса, С"1; г- время, с; Н-с Рр - равновесная (гипотетическая) концентрация импульса ——, м или в интегральном виде Р = Рр+{Р0-РрУК\ (2.39) При рассмотрении кинетики импульса используется диффузионно-кинетическая концепция, включающая две компоненты [2]: - транспортную; - кинетическую. В связи с этим различают концентрационный напор импульса в транспортном (диффузионном) слое (Ро - Р), концентрационный напор в кинетическом слое (Р - Рр) и полный концентрационный напор (Р0 - РР), где Р0 - исходная концентрация импульса.
Уравнения (2.38) и (2.39) справедливы для замкнутых систем, или, пользуясь терминологией химических технологий, для реакторов идеального вытеснения.
Для разомкнутой системы с постоянным объемным расходом вещества Q имеем -к{рст-рр)+р0- -рст- =о, (2.40) где Рот - стационарная концентрация импульса в системе; V - объем системы (кинетического слоя). Решение уравнения (2.40) для разомкнутых систем, или, пользуясь терминологией химических технологий, для реакторов идеального смешения, имеет вид Кх + Кх + (2.41) Уравнения (2.40) и (2.41) справедливы для стационарного режима. Для нестационарного процесса дифференциальное уравнение кинетики импульса имеет вид (2.42) dP dx V p V V Уравнение преобразования импульса в разомкнутой системе (2.42) является линейным дифференциальным уравнением первого порядка. Находим его решение при начальных условиях т0=0; Р = Р0с учетом (2.41)
Уравнение (2.43) определяет нестационарную концентрацию импульса в объеме в режиме идеального смешения. Кинетические зависимости (2.38) и (2.40) совместно с основным уравнением динамики дают спектр уравнений движения в кинетической области
Уравнения (2.38 - 2.45) справедливы, как для оценки кинетики импульса, так и для рассмотрения преобразования момента импульса. В последнем случае вместо массы необходимо использовать момент инерции, а вместо линейной скорости и ускорения - угловые аналогичные параметры. 2.13. Экспериментально-теоретические исходные данные по горению титана в азоте для вакуумирования систем
Для уничтожения азота в герметичных системах с целью оперативного вакуумирования этих систем рассмотрим теоретические и экспериментальные исходные данные по сжиганию титана в азоте [40-51].
Среди элементов, реагирующих с азотом титан обладает рядом преимуществ: малый удельный вес, высокое стехиометрическое соотношение азота и металла, способность к устойчивому горению при низких давлениях азота. При горении титана в сухом азоте происходит образование нитридов и твердых растворов азота в титане, а также выделение водорода и других газов и газифицирующихся примесей (G). Процесс взаимодействия может быть описан следующим брутто-уравнением: Ті + N2= TiNx + (#2 + (?) t. (2.46) 47-9 22.4 47.9+14 Масса образца до (л?0) и после горения (ті) определяются взвешиванием. Из уравнения (2.46) может быть рассчитано среднее значение величины х: х = 47,9(mf- т0)П4т0 =Ъ,А2йт/т0. (2.47) Считая, что выделяющийся из титана водород и другие газы и примеси при охлаждении образца не поглощаются непрореагировавшим титаном или твердыми растворами, величина Am соответствует количеству поглощенного азота. Объем поглощенного азота может быть рассчитан по уравнению: VN2=0.8Am, (2.48) где [V] в дм3, [Am] в граммах. Измеряя в ходе эксперимента изменение давления в сосуде, а после охлаждения сосуда до комнатной температуры конечное давление Pf, можно определить величину результирующего изменения объема: Vj = V0(1-P/P0). (2.49) Из уравнений (2.48- 2.49) можно определить количество выделившихся из титана газов и неконденсирующихся примесей: AV=VN2-V1. (2.50) Модельные эксперименты проводились на образцах имеющих форму полых цилиндров и пластин. Исходные образцы отжигались при непрерывной откачке форвакуумным насосом производительностью 50 дм3/с. Время нагрева образцов до Т=750 С составляло 30 мин., время выдержки при этой температуре 43
30 мин. Эксперименты проводились в колбе объемом 1,04 дм3, соединенной шлангом с сосудом объемом 0,6 дм3. Общий объем сосудов с подводящими и соединительными шлангами составляет V=1,660 дм3. Дополнительный объем с азотом подсоединялся с целью увеличения общего объема, что позволяло увеличить количество используемого титана, и для выяснения роли фильтрационных и пр. затруднений при транспорте азота из объема к поглотителю. Использование больших масс титана приближает условия проведения процесса к адиабатическим (при этом увеличивается температура горения и степень поглощения азота).
Оптимизация теплоизоляции газопоглотительного устройства
Элементы газопоглотителя в виде сплошных цилиндров отличаются простотой изготовления и удобством при укладке в картридж. Компоновка укладки ясна из приведенного ниже рис. 3.1 (эксперимент №46). Развертка
Изменение температур (транспортные энергетические процессы) в соответствующих точках на внутренней стенке устройства и кинетика поглощения азота (изменение давления в камере) приведены на рис. 3.2. 800 п
Изменение параметров процесса в опыте 46: а) температуры; б)давления Кривая 7 отображает момент подачи импульса напряжения на инициатор и его длительность, т.е. момент нажатия кнопки запуска и ее отпускание. Видно, что после подачи электрического импульса подъем температуры начался в точках 1 и 11 (см. рис. 3.2), расположенных в ближайшем сечении к слою воспламени-тельных таблеток. Затем практически одновременно начала расти температура в точках 2 и 9, т.е. в следующем сечении, что свидетельствует о том, что фронт горения плоский и охватил все сечение. Но далее в следующем сечении рост температуры в точке 10 начался заметно позже, чем в точке 3, которая расположена ближе к отверстию во фланце устройства, через которое засасывается азот, и фронт искривился. Далее отставание фронта горения вдоль нижней образующей (точки 11-9-10-8) только увеличилось по сравнению с распространением фронта вдоль верхней образующей (точки 1 -2 -3 -4).
Неравномерное расположение газопоглотительных элементов относительно входных отверстий, через которые газ поступает внутрь газопоготительного устройства, сказывается, соответственно, и на массе поглощенного газа элементами, расположенными в разных сечениях устройства. В табл. 11 приведены данные по изменению массы титановых таблеток по рядам (см. рис. 3.1)
Как видно из таблицы, наибольшую часть газа (16,3 г) поглощают элементы, расположенные в первом ряду, ближайшем к входному отверстию, и наименьшую (11,4 г) - элементы в наиболее удаленном от входного отверстия сечении. Это объясняется разной удаленностью от входа и разным гидродинамическим сопротивлением при транспортировке газа внутри кольцевой полости устройства, в которой расположен газопоглотительный картридж. 3.2. Исследование с целью оптимизации транспортно-кинетических процессов при изменении формы образцов титана (формы втулок)
Как показали эксперименты с таблетками в виде сплошных цилиндров, основная масса азота поглощается внешними слоями таблеток, а внутренние части расплавляются, коагулируют, тем самым резко снижается проницаемость таблеток, что отрицательно сказывается на их поглотительной способности. Поэтому представляло интерес провести эксперименты с таблетками в виде втулок, т.е. с полыми цилиндрами. Схема укладки газопоглотителей в опыте 47 приведены на рис. 3.3, а зарегистрированные показания датчиков температуры и давления на рис.3.4. Из анализа термограмм следует, что та же тенденция к отставанию распространения фронта горения вдоль нижней образующей (точки 11-9-10-8) по сравнению с распространением фронта вдоль верхней образующей (точки 1 -2 -3 -4) сохранилась и для данной конфигурации газопоглотительных элементов. Несколько более высокие значения максимальных температур, показанные термопарами в точках 9 и 10, по сравнению с предыдущим экспериментом, объясняются особенностями укладки элементов в картридже. В данном эксперименте была предпринята попытка более рационального использования внутреннего пространства устройства с созданием дополнительных сквозных каналов для подвода газа к удаленно расположенным элементам.
Сравнение результатов опытов, описанных в двух предыдущих параграфах, с газопоглотителями разной формы приведено в табл. 12, в которой приняты следующие обозначения: V0 - полный объем емкостей, из которых поглощался азот, Мо - масса газопоглотителя, Ратм - начальное давление азота (атмосферное), Токр- начальная температура, ДМ - приращение массы газопоглотителя после окончания процесса, V - мольный объем газа при данных начальных условиях, ду - объем поглощенного азота; Щ - время задержки зажигания (от момента нажатия кнопки и подачи импульса на инициирующую спираль до момента начала падения давления ниже атмосферного); At 0.5 - временной интервал достижения давления 0,5 атм от момента нажатия кнопки инициирующего устройства, Pmin -минимально достигнутое давление в процессе газопоглощения. Развертка
Из таблицы следует, что в эксперименте со сплошными цилиндрическими таблетками поглотилось большее количество азота, чем в опыте со втулками, что обусловлено большей начальной массой газопоглотителя. В тоже время, такие удельные характеристики как ДМ/Мо и AV/Mo - масса и объем поглощенного азота на грамм газопоглотителя оказались практически равными. При этом временные характеристики в этих экспериментах были примерно на одном уровне, время достижения давления 0,5 атм чуть превысило полминуты. Это говорит о том, что на начальном этапе поглощения до давления 0,5 атм размер и форма газопоглотительных элементов особой роли не играет. Эти факторы сказываются на последующем этапе и на величине достигаемого минимального давления.
Результаты экспериментов, описанных в данной главе, подтверждают вывод о том, что на величину конечного давления, и, следовательно, на количество поглощенного азота основное влияние оказывает масса загрузки газопоглотительных элементов. Чем выше масса загрузки, тем больше поглощается азота и тем ниже конечное давление. Поскольку большая масса загрузки достигается при использовании газопоглотительных элементов в форме сплошных цилиндров, то оптимизация других рабочих характеристик устройства проводилась с элементами данной формы [54-62]. 3.4. Оптимизация стадии транспортно-кинетических процессов в момент инициирования процесса газопоглощения
Процесс газопоглощения начинается после инициирования химической реакции между титаном и азотом. Конструкция инициатора по сравнению с предыдущим этапом претерпела небольшие изменения, и принципиальная схема его устройства описана в главе 2. От эксперимента к эксперименту имелись незначительные вариации по массе составных частей инициатора, точные характеристики инициатора для каждого эксперимента приведены в Приложении. Инициатор срабатывал от подачи импульса напряжения, что обеспечивало локальный запуск реакции. Чтобы обеспечить скорейшее инициирование реакции (транспортировку фронта горения к большей поверхности), к инициатору примыкают более быстро-горящие таблетки. Конфигурация расположения этих таблеток и место инициирования, как следует из общих представлений теории транспортно-кинетических процессов, оказывают существенное влияние на скорость последующего процесса поглощения азота. По результатам исследований был сделан вывод, что оптимальное расположение инициатора соответствует расположению в центральном слое. Однако проведенные эксперименты на данном этапе показали, что для новой конструкции устройства это не так, что повлекло за собой проведение серии экспериментов по оптимизации стадии инициирования. Описанию результатов экспериментов с различной конфигурацией инициирования и посвящены последующие параграфы данной главы.
