ПРОЦЕССЫ ГОРЕНИЯ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ

МЕХАНИЗМ СТАЦИОНАРНОГО ГОРЕНИЯ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ

Основы современной теории горения твердых топлив были разработаны Я. Б. Зельдовичем. Основываясь на исследованиях А. Ф. Беляева в области горения летучих взрывчатых веществ (ВВ) и на разработанной им и Д. А. Франк-Каменецким теории горения газовой смеси, Я. Б. Зельдович установил, что горение ТТ является многостадийным процессом. После некоторого прогрева пороха в твердой фазе происходит его газификация, т. е. превращение в первичные продукты, между которыми уже в газовой фазе происходит химическое взаимодействие с образованием конечных продуктов сгорания. При этом реакция в газовой фазе осуществляется в несколько последовательных стадий. Основное выделение теплоты наблюдается в газовой фазе, и первичное разложение твердого пороха происходит под влиянием поступления теплоты из газовой фазы. Теплота, запасенная в прогретом слое, может оказать существенное влияние на энергетический баланс горения в нестационарных процессах, когда прогретый слой не успевает изменять свои характеристики в соответствии с изменением внешних условий. Последующие работы в этом направлении П. Ф. Похила, И. В. Тишунина, Б. П. Жукова и др. показали, что процесс горения твердых топлив является более сложным, не укладывающимся в рамки модели Зельдовича — Беляева. Было установлено, что интенсивные химические реакции появляются уже в К-фазе при относительно низких температурах. При этом нагревание вещества К-фазы до температуры горящей поверхности осуществляется не только за счет теплоты, транспортируемой за счет теплопроводности из газовой зоны, но и за счет теплоты, выделяющейся непосредственно в К-фазе. Процесс горения твердых топлив осуществляется в узкой (до 1 мм) пространственной области. Весь процесс превращения исходного вещества в конечные продукты сгорания можно разделить на ряд стадий, в каждой из которых протекают физико-химические процессы, определяющие состояние вещества в исходной зоне.

Под стадией процесса понимается пространственная область зоны горения, обладающая определенными физико-химическими характеристиками, такими как распределение температуры (уровень и скорость ее изменения в данном интервале), концентрация и агрегатное состояние реагирующего вещества, кинетические параметры скорости химической реакции (предэкспонент и энергия активации).

Скорость горения ТТ зависит, с одной стороны, от интенсивности и характера тепловыделения в каждой стадии процесса, с другой — от интенсивности и характера тепло- и массообмена между стадиями. На основе анализа экспериментальных данных по закономерностям горения порохов баллиститного типа процесс можно разделить на три стадии (рис. 8.1):

Рис. 8.1

Профиль распределения температуры по толщине К-фазы и газовой зоны горения:

  • 1) экзотермические реакции в К-фазе; здесь, в свою очередь, следует различать две зоны: зону прогрева (индукционную) и зону химических реакций;
  • 2) экзотермические реакции, протекающие в пародымогазовой зоне;
  • 3) экзотермические реакции, протекающие в зоне светящегося пламени.

В К-фазе протекают химические реакции как экзотермического, так и эндотермического характера. К числу экзотермических процессов, прежде всего, следует отнести процессы химического взаимодействия отщепившихся молекул двуокиси азота с порохом.

Взаимодействие между N0 и порохом протекает по механизму гетерогенной реакции.

1 — зона прогрева (индукционная зона и зона химических реакций); 2 — пародымогазовая зона; 3 — подготовительная (предиламенная) зона; 4 — зона светящегося пламени.

Принимается, что скорость реакции пропорциональна числу ударов активированных молекул, т. е. таких молекул, уровень которых равен энергии активации или превосходит ее.

К эндотермическим процессам следует отнести процессы плавления, возгонки компонентов и деполимеризации макромолекул нитратов целлюлозы. С увеличением давления экзотермический эффект в К-фазе возрастает. Толщина прогретого слоя в К-фазе может быть определена из уравнения теплопроводности (без учета тепловыделения в К-фазе):

Решение уравнения (8.1) при граничных условиях дает

где а — коэффициент температуропроводности ТТ; Т0, Тп — начальная температура заряда ТТ и температура поверхности горения соответственно; Т — текущее значение температуры в точке прогретого слоя с координатой у.

При у = О соотношение (8.3) обращается в известную формулу Михельсона, полученную для распределения температуры в зоне прогрева при горении газовых смесей.

Выражение для скорости распространения фронта экзотермической реакции в К-фазе при нулевом порядке реакции в приближении Зельдовича — Франк-Каменецкого имеет вид

В отдельных случаях К-фаза является ведущей зоной горения, например, когда режимы горения баллиститных порохов или смесевых систем всецело определяются реакциями в конденсированной фазе. Сюда можно отнести, например, горение баллиститных порохов или смесевых систем в условиях вакуума (беспламенное горение).

Пародымогазовая зона (зона газификации) горения характеризуется аэрозольным (дисперсным) состоянием вещества, интенсивными химическими реакциями и тепловыделением.

Процесс диспергирования конденсированного вещества играет существенную роль в общем процессе горения. Вместе с тем, механизм и закономерности протекания диспергирования изучены все еще слабо. Например, отсутствуют достоверные данные о зависимости глубины диспергирования от давления и начальной температуры вещества, остается открытым вопрос о характере распределения и времени существования (так же как и о размерах) диспергированных частиц. Образование дымогазовой взвеси является необходимой стадией во всем процессе горения (в последовательности превращений, происходящих в зоне горения). При этом для отдельных составов конденсированных систем количество диспергированного вещества может быть значительным. Например, для пороха Н суммарный процент диспергирования » 70. В этой зоне выделяется около половины теплоты от общего количества за счет восстановления N02 до N0, т. е. за счет процессов окисления горючих веществ. Температура продуктов сгорания, обусловленная выделением теплоты при химических реакциях, по мере удаления от поверхности растет и достигает на границе зоны

1100...1400 К.

Максимум скорости объемного тепловыделения является пологим и расположен вблизи поверхности горения, при этом функция скорости тепловыделения — неаррениусовская. Ширина пародымогазовой зоны:

где v = п/2; п = 1,2,3 — порядок реакции.

Конденсированная и пародымогазовая зоны разделены поверхностью горения, основным признаком является нарушение сплошности К-фазы.

Температура поверхности горения, так же как и ее зависимость от давления, начальной температуры заряда и физико-химических характеристик ТТ, практически неизвестна. Имеются противоречивые данные о зависимости ее от начальной температуры. Для отдельных веществ (например, тротила, нитрогликоля идр.) температура поверхности горения равна температуре кипения (Г,, = Ткип), для баллиститного пороха Н

У смесевых твердых топлив температура поверхности горения Тп = 775... 875 К.

В соответствии с моделью Зельдовича — Беляева

В подготовительной (предпламенной) зоне, которая может существовать для порохов баллиститного типа, при давлении до 7 МПа образуются активированные продукты практически без выделения теплоты. Это обусловлено тем, что окись азота, образующаяся при восстановлении N02, является относительно стабильным соединением, так как его разложение на N2 и 02 при температуре Тj = 1500 К протекает весьма медленно. В момент, когда N02 перестает существовать, окислительные процессы резко замедляются, и в связи с этим прекращается рост температуры — она остается практически постоянной, равной Тх по всей ширине подготовительной зоны. Из теории активации известно, что к реакции могут привести только те столкновения между активными молекулами, энергия которых будет больше энергии активации. С течением времени по всей ширине подготовительной зоны происходит накопление активных центров, все чаще и чаще молекулы окислителя и горячего в момент столкновения имеют необходимый избыток энергии, и в конце концов на ее внешней границе скорость реакции достигает большого значения — начинается процесс интенсивного горения, сопровождающийся возникновением светящегося пламени. Ширина зоны подготовки, а следовательно, и время задержки раскисления существенно зависит от давления. Так, при давлении 6 МПа подготовительная зона по ширине намного превышает другие зоны, также зависящие от давления.

Таким образом, экзотермические реакции в зоне светящегося пламени происходят в период, когда концентрация активных продуктов достигает определенного значения. В этой зоне протекают реакции взаимодействия между продуктами неполной реакции (главным образом между СО и N0), сопровождающиеся возникновением пламени и отсутствующие при низких давлениях. В зоне пламени идет полное восстановление N0 до N2 и устанавливается химическое равновесие между продуктами сгорания:

При этом температура в зоне пламени достигает максимального значения, равного температуре равновесного состава продуктов сгорания рассматриваемого топлива. Интенсивность объемного тепловыделения в этой зоне на порядок ниже, чем в пародымогазовой зоне. Расстояние от горящей поверхности до зоны светящегося пламени зависит от давления и начальной температуры, причем зависимость от давления можно представить в виде I ~ р п. Для пороха Н п = 2. Ширина зоны пламени пороха Н значительно меньше ширины пародымогазовой зоны. В связи с большой удаленностью пламени от поверхности горения она в условиях стационарного горения практически не оказывает влияния на скорость горения.

О механизме горения смесевых твердых топлив известно гораздо меньше, чем о механизме горения гомогенных систем (баллиститных порохов). Исследования, проведенные в нашей стране и за рубежом, указывают на идентичность теплофизической схемы зоны горения баллиститных порохов и смесевых систем. Одновременно с этим механизм горения смесевых твердых топлив характеризуется специфическими особенностями. К ним относятся процессы смешивания окислителя и горючего, существование режима контактного горения, возможность осуществления диффузионного и кинетического режимов в зоне химических реакций, зависимость скорости горения от соотношения окислитель — горючее и дисперсности компонентов, нестационарность процессов теплообмена в зоне горения и неодномерность структур теплового слоя и горящей поверхности, обусловленная гетерогенностью структуры конденсированной фазы смесевых систем. Для структуры зоны горения смесевых систем характерен случайный процесс флуктуации пламени, обусловленный случайным распределением компонентов смеси в конденсированной фазе.

Горение смесевых твердых топлив в соответствии с гипотезой Саммерфиль- да может быть описано одномерной моделью «гранулярно-диффузионного пламени». Эта модель построена в предположении о наличии непосредственного пиролиза горючего и окислителя и о протекании всех реакций в достаточно тонком слое диффузионного пламени в газовой зоне. Предполагается также, что пары окислителя и горючего образуются в виде отдельных объемов, сгорающих в среде, образованной противоположным реагентом. При этом масса каждого такого объема не зависит от давления, а зависит от размеров кристалла, масса которого намного больше указанного объема. При прохождении через зону пламени в результате химического взаимодействия объемы уменьшаются со скоростью, определяемой процессом их диффузионного смешения. Процесс горения происходит вследствие передачи энергии, главным образом, путем теплопроводности из газовой зоны к поверхности твердого топлива.

В общем случае стационарное горение смесевых систем и баллиститных порохов поддерживается тепловыми потоками, транспортируемыми из газовой зоны (пародымогазовой), и суммарно-экзотермическими эффектами в К-фазе. Зона светящегося пламени практически не оказывает влияния на процесс горения. Газовый поток вдоль горящей поверхности турбулизирует зону пламени так же, как и газовую зону в целом, что приводит к увеличению градиента температуры и увеличению теплового потока к поверхности ТТ, и, как следствие, к увеличению скорости горения.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >