Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Область применения, конструкция и сравнительный анализ пиротехнических источников газа
1.1 Основные конструкции порошковых пожаротушащих устройств 11
1.2 Схемы и состав пиротехнических источников низкотемпературного газа, анализ опыта применения 19
1.3 Направления совершенствования конструкции источников газа, режимов, процессов и аппаратов массового производства 36
Выводы 38
ГЛАВА 2 Исследование факторов, определяющих потребительские характеристики ИХГ 40
2.1 Результаты сравнительных расчётов термодинамических характеристик новых составов 40
2.2 Экспериментальные исследования характеристик продуктов газификации 50
2.2.1 Конструкция и технология изготовления экспериментального образца ИХГ 50
2.2.2 Конструкция экспериментальных установок и система измерения... 52
2.2.3 Предварительные результаты изготовления и оценочных испытаний экспериментальных образцов 53
2.2.4 Результаты измерения температуры газификации 55
2.2.5 Оценка охлаждающей способности фильтра-охладителя из песка... 57
2.2.6 Экспериментальное определение удельной газопроизводительности 60
2.3 Проверка функционирования опытных образцов в составе огнетушителеи 64
2.4 Уточнение состава фильтра-охладителя 66
2.5 Исследования зависимости времени срабатывания от отклонений состава и начальной температуры
2.6 Чувствительность газогенерирующих составов к механическим воздействиям 87
2.7 Экспериментальная оценка компонентного состава продуктов газификации 87
2.8 Максимальное давление в объеме ИХГ. Выбор конструкции для массового производства 89
2.9 Безопасный уровень давления разрушения ИХГ 93
Выводы 94
ГЛАВА 3 Отработка процессов и аппаратов для изготовления ИХГ 96
3.1 Изготовление фильтров-охладителей 96
3.2. Смешение массы газогенерирующего материала 105
3.3. Формование зарядов 115
3.4. Отверждение изделий 121
3.5. Окончательная сборка. Отработка параметров узла закатки 132
3.6 Аппаратурно-технологическая схема изготовления ИХГ 136
Выводы 137
ГЛАВА 4 Применение ИХГ 138
4.1 Эксплуатационная безопасность ИХГ 138
4.2 Расширение номенклатуры ИХГ 142
4.3 Автоматический модуль порошкового пожаротушения на основе ИХГ 145
4.4 ИХГ для модуля порошкового пожаротушения объемом 100л 147
4.5 Объем и география потребления ИХГ 150
Выводы 153
Заключение 154
Список использованных источников 156
Приложение
- Схемы и состав пиротехнических источников низкотемпературного газа, анализ опыта применения
- Предварительные результаты изготовления и оценочных испытаний экспериментальных образцов
- Максимальное давление в объеме ИХГ. Выбор конструкции для массового производства
- Окончательная сборка. Отработка параметров узла закатки
Введение к работе
Пиротехнические источники газа в настоящее время находят все более широкое применение в противоаварийных устройствах, предназначенных для ликвидации или локализации очага аварии, в которых в качестве рабочего тела используется сжатый газ. Сюда, в частности, относятся порошковые и водопенные огнетушители и автономные пневмо-гидроприводные системы аварийного управления запорной арматурой компрессорных станций на магистралях транспортировки природного газа.
Опыт показывает, что объекты, в которых применяются в качестве рабочего тела пиротехнические источники газа (в нормативной литературе они называются газогенерирующими устройствами - ГГУ), являются наиболее надежными по сохранению рабочих характеристик в процессе длительного хранения до момента использования но основному назначению. Этим и обусловлено их широкое применение в переносных порошковых огнетушителях, которые в настоящее время являются наиболее массовой разновидностью противоаварийных систем. В последние годы всё более широкое распространение получают модули порошкового пожаротушения (МПП) - устройства, стационарно закреплённые на потолках или стенах помещения, где находятся пожароопасные вещества. Запуск МПП осуществляется электрическим импульсом, который формируется системой автоматического обнаружения очага загорания. Операция запуска модуля при воздействии пускового импульса, то есть выброс порошка, становится простой и надёжной в исполнении, если в качестве источника газа для создания избыточного давления используется пиротехнический источник газа.
Общий годовой объем потребления ГГУ достигает нескольких сот тысяч.
Актуальность работы. Основой функционирования ГГУ является заряд из твёрдого газогенерирующего материала, способного к протеканию самоподдерживающейся реакции полной или частичной газификации. Смеси исходных материалов для изготовления газогенерирующих зарядов являются пожароопасными. До недавнего времени не исключалось использование при их производстве токсичных веществ и легколетучих растворителей, что в значительной степени ус-
ложняло технологические процессы их изготовления, предъявляло ряд специфических требований к используемым аппаратам и увеличивало себестоимость.
Настоящая работа посвящена исследованию процессов генерирования газа в пиротехнических источниках и процессов и аппаратов при их массовом производстве с целью повышения безопасности технологического процесса, вероятности безаварийной работы ГГУ при их применении и снижения себестоимости.
В свое время наибольшим спросом для комплектации порошковых огнетушителей пользовались пиротехнические источники с зарядом на основе азида натрия со сквозной пористостью. В связи с тем, что генерируемый при их срабатывании газ имеет температуру, близкую к окружающей, они получили условное наименование «источник холодного газа» (ИХГ).
Их массовое изготовление было организовано на производственных площадях ФГУП «ФЫПЦ «Алтай» с годовым объемом поставок потребителям до 150 тысяч. Однако по ряду технических и экономических причин, в том числе выявленных по мере накопления опыта массовой эксплуатации огнетушителей с ИХГ, их изготовление для систем массового применения оказалось нерентабельным, и отлаженное производство оказалось под реальной угрозой остановки.
Для сохранения производства и поставок ИХГ, которые стали необходимыми для комплектации сотен тысяч огнетушителей, и возможного его расширения потребовалось практически приемлемое решение возникших проблем. Поиск его путей определил актуальность представленной диссертации.
Возможность массового производства и сбыта изделий общепромышленного назначения в условиях рыночной экономики в значительной степени определяется их стоимостью (при условии обеспечения необходимого уровня технических характеристик).
Уровень стоимости, пригодный для массового сбыта, может быть достигнут за счет:
- применения недорого сырья и комплектующих с устойчивой отечественной промышленной базой;
- выбора конструкции, которая позволяет сохранить технологию изготов
ления и систему контроля, обеспечивающие надёжность при минимальных произ
водственных затратах;
- максимального использования существующего (или серийно выпускаемо
го отечественной промышленностью) технологического оборудования, отрабо
танных технологических приёмов и обученного производственного персонала
для изготовления вновь разработанных изделий.
Очень важным для снижения себестоимости является также разумное с потребительской точки зрения расширение допусков на технические характеристики при непременном сохранении высокого уровня вероятности безотказной работы изделий.
В соответствии с изложенным, целью настоящей работы является создание технологических процессов, аппаратов и элементов снаряжения для массового изготовления новых безазидных источников холодного газа для средств порошкового пожаротушения общей массой до 20 кг, безопасных при изготовлении и эксплуатации.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
- проведен анализ технических и экономических причин снижения спроса
на азидные источники холодного газа на основе рассмотрения конструкций со
временных порошковых средств пожаротушения, способов и технических харак
теристик узлов создания в них избыточного давления;
разработан комплекс технических требований к пиротехническому источнику газа, учитывающих конкретные условия его применения;
проведена разработка материала газогенерирующего заряда и конструкции ИХГ, соответствующих сформулированным требованиям и пригодных для массового изготовления с применением безопасных технологических процессов и аппаратов, на основе расчётных и экспериментальных исследований характеристик продуктов газификации;
- исследован и разработан технологический процесс изготовления фильтра-
охладителя продуктов газификации, и выбор его состава и конструкции ;
проведены экспериментальные исследования влияния отклонений содержания отдельных компонентов на время срабатывания изделия с целью выбора способов управления значением этого параметра при ведении технологического процесса;
проведены экспериментальные исследования и выбор режимов технологических процессов и аппаратов для массового изготовления изделий с максимальным использованием существующего оборудования и внедрением нового для повышения безопасности техпроцесса.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- на основании результатов проведенных исследований технологических
процессов и аппаратов разработаны безопасные режимы для массового изготов
ления и контроля новых пиротехнических источников газа;
показано положительное влияние на качество процесса перемешивания как пиротехнических, так и инертных смесей порошкообразных материалов введения в них небольшого (до 5...10%) количества воды ;
выявлено оптимальное по удельной газопроизводительности соотношение между содержанием горючего-связующего и окислителя - калиевой селитры в газогенерирующем составе;
найдена и отработана новая рецептура ряда безазидных газогенерирую-щих материалов с удельной газопроизводительностыо 360...390 л/кг, пригодных для массового изготовления с применением предложенных в работе режимов технологических процессов и аппаратов, использующая недефицитные и относительно недорогие компоненты, безопасные при переработке; на разработанные составы получены патенты РФ;
разработана рецептура и технологический процесс изготовления моноблочного фильтра-охладителя, обеспечивающего снижение температуры продуктов газификации до 400...420 К, пригодной для применения в порошковых пожа-ротушащих устройствах и большинства других противоаварийных объектах;
для внедрения в производство разработанных технологических процессов и аппаратов создана новая конструкция безазидных пиротехнических источ-
ников газа для порошковых иожаротушащих устройств, не требующая дополнительных узлов для монтажа в огнетушителях, с температурой генерируемого газа на 100... 150 К ниже, чем у выпускаемых другими производителями; на конструкцию изделия получен патент РФ.
В связи с указанным значительным отличием температуры газов на выходе от аналогов разработанные устройства сохранили название «источники холодного газа».
Практическая значимость. Результаты диссертационного исследования явились основой для развёртывания рентабельного серийного производства и сбыта ИХГ для переносных порошковых огнетушителей, а также для применения в автоматических модулях пожаротушения (МПП) с массой заряда огнетушащего порошка до 10 кг.
Разработанные конструкции успешно прошли цикл всесторонних испытаний, включая межведомственные, подтвердивших высокую надёжность и безотказность на всех стадиях производства, хранения и эксплуатации. Изделия, созданные по результатам проведённых разработок, внедрены для массового изготовления, выпускаются по техническим условиям, согласованным с ФГУП ВНИИПО МЧС РФ и зарегистрированным в Госстандарте России (per. № 004475 от 29.04.04 г), имеют санитарно-эпидемиологическое заключение (№ 22.01.03.214.П.000 429.04.04 от 19.04.04) и нашли широкое применение на предприятиях Российской Федерации. В настоящее время сертифицировано 9 модификаций порошковых огнетушителей с массой порошка от 1,6 до 8 кг и 10 модификаций модулей порошкового пожаротушения с массой порошка от 1,8 до 10 кг. Заводами изготовлено около 2 млн. огнетушителей и модулей порошкового пожаротушения с применением ИХГ, разработанных с участием автора.
В настоящих условиях цена прототипа ИХГ, выпускавшегося до внедрения полученных результатов, представленных в диссертации, должна была возрасти на порядок, в то время, как за счёт внедрения в производство найденных научно-технических решений ее удалось удержать на первоначальном уровне цен 1998 г.
Апробация материалов диссертации проведена на XVI научно - практической конференции ВНИИПО МВД РФ «Крупные пожары: предупреждение и тушение» в 2001 г, на XVIII научно-практической конференции ВНИИПО МЧС РФ «Снижение риска гибели людей при пожарах» в 2003 г., на III Всероссийской конференции Томского Госуниверситета «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» в 2002 г, на II и III Всероссийиских научно-практических конференциях ФГУП «ФНПЦ «Алтай» «Проблемы и методология утилизации смесевых твердых топлив, отходов спецпроизводств и остатков жидких ракетных топлив в элементах ракетно-космической техники» в 2001 и 2003 г. и на конференции « Высокоэнергетические материалы: демилитаризация и гражданское применение» в 2004 г., организованной ФГУП «ФНПЦ «Алтай» и Международным научно-техническим центром.
Результаты разработок в виде конструкций источников холодного газа для порошковых огнетушителей отмечены: Дипломом победителя конкурса «Наша Надежда» г. Барнаул, 2002 г.; Дипломом победителя краевого конкурса «Лучший Алтайский товар - 2000» г.; Дипломом лауреата международной выставки «По-жтех-эксмо» за лучшую конструкторскую разработку, г. Москва, 2002 г.; Дипломом первой национальной премии за укрепление безопасности России «ЗУБР», г. Москва, 2004 г.
На защиту выносятся:
Обоснование комплекса требований к составу, конструкции и технологии, которым должен удовлетворять ИХГ для обеспечения рентабельности массового производства при сохранении необходимого уровня потребительских качеств.
Результаты экспериментальных исследований параметров технологических процессов и аппаратов для изготовления и контроля ИХГ и апиаратурно-технологическая схема их массового производства.
Результаты расчетно-экспериментальных исследований безазидных составов газогенерирующих материалов, не содержащих высокотоксичных и дефицитных компонентов, и рецептурно-технологических путей управления их основ-
ными характеристиками, а также фильтров-охладителей и ИХГ в целом, безопасных при изготовлении и эксплуатации.
4 Результаты экспериментального подтверждения возможности применения новых источников холодного газа в порошковых переносных огнетушителях и автоматичеких модулях пожаротушения общей массой до 20 кг , а также в других средствах автоматических модулях и других средствах порошкового пожаротушения с массой порошка до 80 кг.
По материалам диссертации получены 4 патента РФ и 2 свидетельства на полезную модель. Материалы диссертации опубликованы в 7 статьях.
Работа состоит из ведения, четырёх глав и заключения, включает 164 страницы, в том числе 65 рисунков и список использованных источников из 88 наименований. Приложение занимает 18 страниц.
В первой главе на основе рассмотрения конструкций современных порошковых средств пожаротушения и сравнительного анализа способов и конструкции узлов создания в них избыточного давления формулируются основные технические требования к ИХГ, которые позволяют использовать безопасные технологические процессы и аппараты, являющиеся предметом разработки.
Вторая глава посвящена расчётным и экспериментальным исследованиям характеристик элементов снаряжения, результаты которых положены в основу разработки конструкции и процессов и аппаратов для массового изготовления ИХГ.
В третьей главе изложены результаты исследований и отработки технологических процессов и аппаратов для изготовления ИХГ.
Четвёртая глава посвящена вопросам применения ИХГ и их газогенери-рующих зарядов в различных схемах пожаротушащих устройств.
В Приложении представлены Акты внедрения результатов разработок в производство.
В диссертационной работе использованы результаты экспериментальных и аналитических проработок, проведённых при личном участии автора или под его руководством.
Схемы и состав пиротехнических источников низкотемпературного газа, анализ опыта применения
Основой функционирования пиротехнических источников низкотемпературного газа является заряд из твёрдого газогеперирующего материала, свойства которого определяют конструкцию источника газа .
Наиболее известным и достаточно эффективным твёрдым газогенерирую-щим материалом является пироксилиновый артиллерийский порох, состоящий в основном из нитроклетчатки с высоким содержанием азота (пироксилина), а также баллиститное твёрдое ракетное топливо, основу которого составляет нитроклетчатка, пластифицированная нитроэфирами [19, 20]. При сгорании зарядов из этих веществ они газифицируются полностью, выделяя до 1000 л/кг газа, приведённого к нормальным условиям (температура 273К, давление 0,1013 МПа). Температура продуктов сгорания самого низкоэнергетического баллистита, способного устойчиво гореть при давлениях не ниже 4 МПа, 1600... 1700 К. Газогенери-рующие устройства с зарядами из таких топлив успешно используются, например, в системах аварийной продувки цистерн главного балласта подводных лодок [21].
Низкотемпературные газогенераторы с охлаждением. Имеются разработки по системам подъема объектов из под воды с помощью эластичных оболочек, разворачиваемых продуктами сгорания твердого топлива [22]. В рассматриваемых случаях горячие газы интенсивно охлаждаются, благодаря контакту с металлоемкими элементами конструкции и с большим количеством воды. Для применения в порошковых огнетушителях этот принцип непригоден.
Другой способ охлаждения, более универсальный для применения, реализован в конструкциях низкотемпературных газогенераторов с твёрдым химическим охладителем (НТГГ) [23] , разработанных В.М.Анисимовым с сотрудниками при активном участии Ю.Е.Орионова и В.И.Веркевича (г.Москва). В этих устройствах продукты сгорания баллиститного заряда на пути к выходному отверстию проходят через объём, заполненный таблетками химического охладителя - оксалата аммония с технологическими добавками. При взаимодействии с горячими газами оксалат аммония разлагается на СО, С02, Н20, NH3, поглощая до 2300 кДж/кг тепла [25].
Рецептура и промышленная технология изготовления химических охладителей были разработаны в НПО «Алтай» В.Л.Шандаковым и Л.Л.Прокопьевой с сотрудниками. Опыт широкой (более 1000 комплектов) промышленной эксплуатации НТГГ на компрессорных станциях в составе комплекса дублирующего управления КОЛЬЦО-1 [24] подтвердил высокую надёжность срабатывания использующих их систем дистанционного управления запорной арматурой, включая операции программированного отключения компрессорной станции или её отдельных цехов и агрегатов. Однако она же выявила, что ряд особенностей конструкции и работы НТГГ в значительной степени усложняют их использование на объектах газовой промышленности [26].
Поэтому дальнейшее внедрение НТГГ в этой отрасли было прекращено. Применительно к возможности использования НТГГ в порошковых огнетушителях ещё одним недостатком устройств с химическим охладителем является значительное (до 30...40 % от общей массы элементов снаряжения) количество конденсированных веществ, образующихся при охлаждении газов до нормальной температуры. Это может отрицательно сказаться как на характеристиках огнету-шащего порошка, так и на величине давления в огнетушителе.
Пиротехнические источники холодного газа (ИХГ) в качестве конструктивного элемента огнетушителя появились в результате значительного прогресса в области создания твердотопливных низкотемпературных газогенерирующих устройств, достигнутого в ходе разработок так называемых генераторов холодного азота (ГХА).
Разработке в рамках настоящей работы рецептуры, конструкции и технологии изготовления, положенных в основу новых источников холодного газа для порошковых огнетушителей, предшествовало создание конструкции и массового производства азотгенерирующих изделий, которые, по существу, являются прототипами объекта настоящей разработки. По этой причине они будут рассмотрены подробно. Принципиальная схема ГХЛ показана на рисунке 1.3. Основным его эле-ментом является смесь азида натрия с галогенидом щелочного металла и небольшим (до 7 %) количеством новолачной фенолформальдегидной смолы, отвер-ждённая в моноблочный заряд со сквозной пористостыо, составляющей около 50 % от объёма заряда. Заряд размещён в несущем корпусе так, что боковой зазор отсутствует. Тело заряда полностью перекрывает всё проходное сечение корпуса, размещаясь между передней крышкой с воспламенителем и фильтром из инертного дисперсного материала (песка), за которым находится выходное отверстие газогенератора. При срабатывании электрического инициатора и воспламенителя из дымного пороха на торце заряда, противоположном фильтру и выходному отверстию, возбуждается химическая реакция, сопровождающаяся выделением тепла. Однако образующиеся нагретые газообразные продукты реакции не оттекают от поверхности горения заряда, как это происходит при сгорании заряда в традиционной схеме, а двигаются к фильтру и выходному отверстию сквозь пористое тело заряда. Все выделяющееся в реакционной зоне тепло, таким образом, передаётся непрореагировавшим слоям заряда, нагревая их. Основная масса газа покидает тело заряда с температурой, близкой к начальной, очищенной от конденсированных частиц. Газы, выделившиеся при газификации последних слоев в заряде, очищаются и охлаждаются до начальной температуры на фильтре.
Предварительные результаты изготовления и оценочных испытаний экспериментальных образцов
В результате, ИХГ, включающий в себя заряд из газогенерирующего материала на основе азида натрия с фтористым литием и алюминиевые корпусные детали, стал нерентабельным даже при массовом производстве, несмотря на большую потребность в изделиях этого типа.
Необходимость сохранения созданного массового производства ИХГ потребовала корректировки состава, совершенствования конструкции и технологии их изготовления в направлении обеспечения рентабельности при сохранении приемлемого уровня технических характеристик .
К тому же пиротехника стала находить всё более широкое применение в средствах пожаротушения, и появились другие типы пиротехнических источников давления, которые по своим рабочим характеристикам в целом удовлетворяли потребительскому уровню технических требований при приемлемой стоимости.
Пиротехнические источники рабочего тела с зарядами из газогенерирую-гцих материалов традиционной компоновки
Авторами [37...39] предложены различные варианты конструкции порошковых огнетушителей, включающие газогенерирующие устройства. Там же приведена конструкция газогенератора для порошкового огнетушителя с газогене-рирующим зарядом в виде набора прессованных таблеток [39]. В работе [41] описан газогенерирующий состав для вытеснения огнетушащих средств, состоящий из нитрата калия, фенолформальдегидной смолы и стеарата кальция.
В патенте [42] приводится ещё один вариант конструкции газогенератора для огнетушителей, также использующего заряд из таблеток, спрессованных из массы, содержащей нитрат калия, фенолформальдегидную смолу резолыюго типа, углеводы и технологическую добавку (тефлон). Упомянутые газогенерирующие устройства (ГГУ) получили самое широкое (не считая ИХГ) распространение по сравнению с другими пиротехническими источниками газа для огнетушителей. Для них характерно следующее [51,52]: - заряд, состоящий из таблеток диаметром около 20 мм; - диаметр ГГУ -до 32 мм; - длина ГГУ 294...310 мм для 5-литровых огнетушителей и 334...430 мм для 10-литровых огнетушителей; - температура газа на выходе - до 550С [51]; - корпус ГГУ многослойный, включающий наружные слои из прессованного картона с выходными отверстиями, закрытыми бумагой; - состав и технология изготовления заряда обеспечивают требуемое время его срабатывания при невысоком уровне давления в корпусе ГГУ, так что дополнительного несущего узла для монтажа ГГУ в огнетушителе не требуется. Говоря о компонентном составе газогенерирующих композиций, необходимо отметить следующее. За многие годы развития пиротехники накоплен богатый опыт применения комбинаций различных веществ в качестве пиротехнических смесей. Выбор той или иной комбинации зависит от назначения и условий изготовления изделия. Для зарядов ракетных двигателей, которые производятся на специально оборудованных предприятиях оборонной промышленности, широкое применение находит в качестве окислителя перхлорат аммония. Его использование вместе с органиче-ким горючим-связующим , например - каучуком, позволяет получать заряды, обладающие высокой газопроизводительностыо, что очень важно для ракетных средств доставки боевой полезной нагрузки. Однако относительно высокая чувствительность к механическим воздействиям перхлората аммония и смесей его с органическими горючими [43] делает технологические операции с его применением взрывоопасными, что в значительной степени увеличивает производственные затраты. Применительно к средствам пожаротушения масса газогенерирующих устройств в их составе занимает, как правило, небольшую часть массы системы в це-лом. Необходимый для её нормального функционирования объём генерируемого газа может быть обеспечен газогенерирующим зарядом с удельной газопроизво-дительностыо значительно меньшей, чем у ракетных топлив. Поэтому в качестве окислителя здесь вполне допустимо использование азотнокислого калия, не чувствительного к механическим воздействиям, достаточно распространенного как минеральное удобрение и относительно дешёвого. Кроме применения в зарядах для газогенерирующих вытеснительных устройств он достаточно часто встречается в рецептурах составов для получения ог-нетушащих газоаэрозольных смесей [44...49,53], что ещё раз подтверждает целесообразность его использования в массовом производстве пиротехнических устройств общепромышленного назначения. Выбор связующего в значительной степени зависит от имеющегося оборудования, отработанных технологических приёмов смешения массы, формования и отверждения зарядов и конструкции в целом, которая должна быть привязана к возможностям действующих производств по изготовлению и поставке материалов. В условиях выполнения настоящей работы таким связующим осталась фенольная смола. Опыт массового применения пиротехнических газогенерирующих устройств в порошковых огнетушителях подтверждает, как было сказано выше, высокий уровень надёжности их работы и простоту обслуживания [13,14,36]. Он же показывает, что принцип работы ИХГ обуславливает ряд особенностей процесса срабатывания, необходимость учёта которых при разработке изделий этого типа для огнетушителей была выявлена в ходе массовой эксплуатации.
Максимальное давление в объеме ИХГ. Выбор конструкции для массового производства
Введение оксалата аммония и аммофоса приводит к увеличению времени срабатывания изделий, так что при содержании добавки этих компонентов более 20 % заряд непригоден для практического использования из-за слишком большого времени срабатывания.
Увеличение содержания СФ в составе более 25 % осложняет операцию формования: для достижения необходимой плотности требуется увеличение массы противовеса (рисунок 1.5). При этом наблюдается значительный нагрев формующего рожка и спекание массы на его выходе.
Изделия, заформованные без магния карбоната, часто растрескиваются при полимеризации, а увеличение содержания этого компонента выше 10 % приводит к ухудшению формуемости массы.
При срабатывании образцов, изготовленных в соответствии с рисунком 2.5, продукты сгорания, находящиеся в конденсированном состоянии при температуре газификации, образуют достаточно прочный пористый каркас, масса которого составляет около 50 % от исходной массы заряда. Он в виде пористого блока остаётся в объёме ИХГ перед фильтром, а в рабочий объём поступают через фильтр-охладитель продукты, газообразные при температуре газификации. Результаты измерения температуры газификации Для измерения температуры газификации использовалась термопара типа ТВР (А-2) ГОСТ Р 50431-92. Результаты испытаний экспериментальных образцов, состоящих из базовой композиции и магния карбоната, а также аммофоса, оксалата аммония и хлористого калия, которые вводились вместо части магния карбоната аналогично приведенным в таблице 2.2, показаны на графике рисунка 2.8 вместе с расчётной зависимостью для магния карбоната. Из полученных результатов экспериментальных исследований температуры следует: 1) расчётные значения температуры газификации близки к опытным и поэтому расчетные оценки могут быть приняты в качестве основы для компоновки состава газогенерирующего заряда и для решения вопросов о допустимости тех или иных отклонений содержания отдельных компонентов от номинала, обусловленных технологическими причинами; 2) температура продуктов газификации находится на уровне 1000-1100 К, и для решения вопроса о возможности использования исследуемых газогенери-рующих композиций в источниках газа для порошковых огнетушителей необходимо оценить массово-габаритные характеристики фильтра-охладителя, достаточного для снижения температуры газов до приемлемого уровня - 450 К. В ИХГ с азотгенерирующим зарядом на основе азида натрия использовался фильтр из отмытого речного песка фракции 140...630 мкм, относительная масса которого составляла не менее 47 % от массы заряда, а высота - около 36 % от высоты заряда. Имеется отработанная технология его изготовления. Поэтому в качестве начального варианта для дальнейших работ взят фильтр-охладитель из речного песка. Экспериментальное определение возможной степени охлаждения продуктов газификации на фильтре проведено с использованием опытного образца, схема конструкции которого показана на рисунке 2.5, на стендовой установке, приведённой на рисунке 2.6. Габариты экспериментального образца определены геометрией стального стакана, массовое производство которого освоено в ЛО «Интеграл» (г. Новосибирск). Он имел длину 121 мм. Масса и высота заряда и фильтра-охладителя определялись указанной суммарной длиной за вычетом толщины крышки, плотностью виброуплотнённой засыпки песка и плотностью формования заряда. В экспериментах, результаты которых приведены ниже, масса заряда изменялась от 90 до 110г. При этом отношение массы фильтра к массе заряда изменялось соответственно в пределах от 1,15 до 0,6. В последней строке таблицы приведены границы изменения времени Ттах достижения максимального давления в объеме стендовой установки при испытаниях образцов. Их значения принимались в качестве предварительной оценки времени срабатывания ИХГ в огнетушителе. В двух предпоследних строках таблицы 2.3 приведены расчётные значения температуры продуктов газификации Т и удельной газопроизводительности \Ууд. При проведении испытаний температура газа на выходе из ИХГ и в ёмкости стендовой установки регистрировалась с помощью термонары типа XK(L) ГОСТ Р 50431-92.
Результаты измерения максимальной температуры на выходе ИХГ представлены на рисунке 2.9. Там же приведён график зависимости массы заряда от массы фильтра (график «Мз»), построенный по точкам, осредненным но результатам 3...4 взвешиваний, для всех составов, кроме состава "20". Для него, в связи с высокой рыхлостью массы газогенерирующего материала, масса заряда оказалась на 12... 15 % меньше.
Из рисунка 2.9 следует, что в составе экспериментальных образцов ИХГ с длиной корпуса 121 мм фильтр-охладитель из песка обеспечивает снижение температуры газов до уровня, который не превышает значения 463 К (он показан на рисунке 2.9 линией «Т=463К»).Этот тип фильтра был выбран для определения удельной газопроизводителыюсти.
Полученный уровень максимальной температуры на составах с аммофосом и оксалатом аммония значительно ниже, чем у других распространенных газоге-нерирующих устройств, упомянутых в разделе 1.2 (за исключением азотгенери-рующих изделий). Это подтверждает допустимость применения аббревиатуры ИХГ для обозначения объектов настоящей разработки.
Окончательная сборка. Отработка параметров узла закатки
С целью подтверждения возможности применения разработанных газогене-рирующих материалов в источниках давления для конкретных типов огнетушителей изготовлены опытные образцы с массой заряда 72...76 г и фильтром высотой 64 мм и с массой заряда 108... 110 г, и фильтром высотой 40 мм. Заряды изготовлены из состава БАВ-15 АК. Сборка изделий - в соответствии с рисунком 2.5.
Изделия с массой заряда 72...76 г испытаны в составе 5-литровых огнетушителей ОПУ-5-01 (масса порошка 3,8 кг) с порошками ПСБ, П-2АШ, Пирант, а изделия с массой заряда Ю8...110г-в10- литровых огнетушителях ОПУ-10-04 (масса порошка 8 кг) с порошками ПСБ, П-2АП, П2-АПМ.
Испытания в составе огнетушителей проведены при нормальной температуре и на границах температурного диапазона эксплуатации: минус 50 и плюс 50С. Для обеспечения указанной температуры собранные огнетушители выдерживались в термостате при заданной температуре не менее 24 часов, а их запуск осуществлялся не более, чем через 3-5 минут после извлечения из термостата. В таблице 2.4 представлены результаты испытаний. В таблице 2.4 обозначено: Макс, давление - максимальное давление в объеме огнетушителя после срабатывания ИХГ; Номинал, давление - давление, установившееся в огнетушителе через 10... 15 с после срабатывания ИХГ, после чего оно практически не изменяется. Масса остатка порошка определена по результатам взвешивания корпуса огнетушителя перед и после зарядки порошком и после испытаний. Согласно [1], остаток порошка после срабатывания огнетушителя не должен превышать 15 % от начальной массы заряда порошка. Из результатов испытаний следует, что ИХГ с зарядом состава БАВ-15АК при массе заряда 72...76 г для 5-литровых огнетушителей и с массой заряда 108... 110 г для 10-литровых огнетушителей имеют достаточную газопроизводительность для того, чтобы обеспечить необходимый выброс порошка. Таблица 2.4 — Результаты оценочных испытаний ИХГ в составе огнетушителей Испытания с зарядами из состава БАВ-15 Л не проводились, так как, согласно ранее проведённым экспериментам, они имеют заведомо более высокую газопроизводительность и более низкую температуру, т.е. - не менее эффективны, чем заряды из состава БЛВ-15 АК. Таким образом, в результате выполнения расчётных и экспериментальных работ, предусмотренных настоящим разделом, предварительно обследованы и выбраны для дальнейшей проработки два состава: - состав БАВ-15А, содержащий (по номиналу) - селитру калиевую - 54 %, СФ - 23 %, аммофос - 13 %, магния карбонат основной - 10 %; - состав БАВ-15АК, отличающийся от БАВ-15А заменой 9 % аммофоса калием хлористым. На указанные газогенерирующие составы и на состав БАВ-15 получены патенты Российской Федерации [63-65]. Основная часть дальнейших исследований проведена на ИХГ, собранных по схеме рисунка 2.5. При этом изделия с массой заряда 108..110 г (с зарядом состава БЛВ-15Л) ориентированы на условия применения в составе огнетушителя объёмом Юл и в дальнейшем обозначены ИХГ-10, а изделия с зарядом 72...76 г из состава БАВ-15 АК - на применение в огнетушителе объёмом 5 л и обозначены ИХГ-5. Выше уже обращалось внимание на то, что особенностью зарядов, содержащих более 20 % СФ, является значимая их усадка при полимеризации, которая приводит к образованию зазора между боковой поверхностью заряда и стенкой корпуса величиной до 2 мм по радиусу. Именно эта особенность обеспечивает необходимую площадь прохода для газообразных продуктов сгорания, что исключает большие перепады давления по длине заряда и обеспечивает приемлемый уровень давления в ИХГ. Однако виброиспытания собранных опытных образцов ИХГ по режимам, имитирующим перевозку по грунтовым дорогам, показали, что, несмотря на наличие сетки, отделяющей заряд от фильтра-охладителя, часть дисперсного материала фильтра (песка) под воздействием вибронагрузок перемещается в зазор, заполняя его и тем самым снижая площадь для прохода газов при сгорании заряда. Это приводит к значительному росту давления в ИХГ, подвергнутых этому виду испытаний, неприемлемому для их использования. Поэтому принято решение скрепить дисперсный материал введением в состав фильтра новолачной фенольной смолы (СФ) с последующей полимеризацией фильтра после его загрузки в корпус.
Определение необходимого содержания СФ проведено экспериментально на образцах ИХГ с зарядом из состава БАВ-15А массой 108...ПО г, при высоте фильтра 36...40 мм.
Испытания проводились на стендовой установке (рисунок 2.6) с замером давления и температуры на выходе из ИХГ. Результаты испытаний приведены на графиках (рисунок 2.12). Они показывают, что с ростом содержания СФ монотонно растёт давление в ИХГ, достигая 2,6...2,7 МПа при содержании СФ - 10 % (график для давления построен по точкам, осреднённым по 7 опытам). Температура газов на выходе несколько возрастает, что связано с уменьшением массы фильтра по мере увеличения содержания СФ, удельный вес которого в 2,5...2,7 раза меньше, чем у песка. При содержании СФ 7 и 10 % имеет место увеличение разбросов температуры за счёт появления ее высоких значений. По всей видимости, это связано с тем, что при указанных значениях содержания связующего увеличивается гидравлическое сопротивление фильтра и, соответственно, давление в ИХГ. В результате этого возможна деформация корпуса, сопровождающаяся увеличением его радиуса в окрестности фильтра. Поэтому часть газа проходит через образующийся боковой зазор, минуя фильтр-охладитель и тем самым сохраняя высокий уровень температуры. Это подтверждается характерным изменением цвета поверхности стакана после испытаний. Она имеет гальваническое покрытие, которое в местах прохода горячих газов темнеет. Эти потемнения имеют форму языков, что свидетельствует о случайном локальном характере образования зазоров и «проскоков» газа по ним. На изделиях с фильтрами из песка, не скрепленного СФ, указанного явления не наблюдалось, так как песок, обладая некоторой подвижностью в начале процесса срабатывания заряда, под действием перепада давления на толщине фильтра заполняет все проходное сечение корпуса при его деформации.
