Влияние дисперсности алюминия и каталитических добавок на характеристики горения систем на основе активного горючего-связующего (стр. 1 из 5)
Дипломная работа
Влияние дисперсности алюминия и каталитических добавок на характеристики горения систем на основе активного горючего-связующего
Содержание
Введение
Глава 1. Литературный обзор
1.1. Свойства активного горючего-связующего
1.2. Свойства металлического горючего
1.3. Свойства каталитических добавок
1.4. Свойства окислителей
Глава 2. Методики теоретического и экспериментального исследования системы Al–активное горючее-связующее – каталитические добавки
2.1. Методика расчета по программе Астра-4
2.1.1. Подготовка исходных данных
2.1.2. Расчет эквивалентной формулы
2.1.3. Энергетические и теплофизические характеристики
исходных компонентов
2.2 . Методика зажигания нагретой поверхностью
2.3. Методика изготовления образцов
2.4. Изучение горения на открытом воздухе при 1атм
2.5. Математическая обработка экспериментальных данных
Глава 3. Результаты термодинамического расчета и экспериментального исследования системы Аl – активное горючее-связующее – каталитические добавки
3.1. Результаты расчета термодинамических характеристик базовых систем
3.2. Определение энергии активации и предэкспонента
3.3. Определение стационарной скорости горения
Заключение
Выводы
Список литературы
Приложение 1
Введение
Современные смесевые топлива состоят обычно из перхлората аммония, выполняющего роль окислителя, алюминия (изредка магния) в форме мелкодисперсного сферического порошка, и органического полимера — связующего. Металл и полимер играют роль горючего, причём металл является основным источником энергии, а горючее-связующее — основным источником газообразных продуктов (рабочего тела), так как ввиду высокой температуры кипения оксид алюминия не может быть газом в ракетном двигателе и не может совершать работы при расширении в сопле.
Порошковообразные металлы могут вводиться в состав смесевых топлив в качестве дополнительного горючего компонента. Для этого пригодны чистые бериллий, алюминий, магний, а так же некоторые их соединения. В результате введения металлов происходит повышение запаса энергии топлива, т.е. увеличивается удельная тяга двигателей. Кроме того, металлические добавки повышают удельный вес топлива, что улучшает характеристики двигателя и ракеты в целом. При этом следует учитывать, что чем больше содержание металлического горючего, тем выше будет температура продуктов горения в камере. Почти все современные смесевые топлива имеют в своем составе металлическое горючее в различном количестве.
Самым широко распространенным и наиболее дешевым металлическим горючим является алюминий. Применение тонко измельченного порошка алюминия в смесевых топливах не только повышает удельную тягу двигателей, но и улучшает надежность их запуска и увеличивает стабильность горения топлива.
В ряде работ исследуются полные топливные системы, состоящие из окислителя, горючего-связующего, добавок, алюминия и других компонент. Но очень мало работ, показывающих механизм влияния активного горючего- связующего (АГСВ) на алюминий в присутствии каталитических добавок.
Целью данной работы является изучение влияния дисперсности алюминия и каталитических добавок на системы Al–АГСВ.
Глава 1. Литературный обзор
При анализе литературных данных основное внимание уделено роли горючего-связующего и металлического горючего в формировании характеристик твердых топлив, а также рассмотрены свойства катализаторов горения – сажи, оксида кремния, хлорида олова и особенности окислителей твердотопливных систем.
1.1. Свойства активного горючего-связующего
Современные горючие-связующие классифицируют по химическому и фазовому составу (структуре). По химическому составу с учетом энергетических характеристик выделяют «инертные» и «активные» горючие-связующие (ГС). К «инертным» относятся композиции, состоящие, в основном, из горючих элементов и имеющие, как правило, отрицательную энтальпию образования. Окислительные элементы (кислород, хлор, фтор) в них или отсутствуют, как например, в бутилкаучуке, или содержание их незначительно, как в уретановом каучуке. К «активным» относят горючие-связующие, обогащенные окислительными элементами.
В данной работе использовались ГС активного типа, поэтому именно их и будем рассматривать.
Активное горючее-связующее – композиция, состоящая из полимеров, пластификаторов и компонентов системы отверждения (структурирования), способная к самостоятельному горению в инертной среде. Способность к самостоятельному горению обусловлена содержанием достаточно большого количества окислительных элементов (кислорода, хлора, фтора и др.) в компонентах активного горючего-связующего. Основными поставщиками окислительных элементов в составе АГСВ являются пластификаторы, в качестве которых используются, например, тринитрат глицерина, динитратэтиленгликоль и др.
Наряду с этим АГСВ отличаются от инертных связующих повышенной энтальпией образования компонентов и плотностью. Это позволяет создавать на их основе более высокоэнергетические и высокоплотные твердые топлива с большим массовым (18%) и объемным (25%) содержанием горючего-связующего.
По фазовому составу (структуре) горючие-связующие подразделяют на два класса – раствор полимера в пластификаторе и суспензия полимера в пластификаторе. Такое деление условно, резкой границы между реальными представителями этих классов нет.
Наряду с преимуществами активных горючих-связующих по сравнению с инертными в отдельных случаях обуславливают и некоторые недостатки смесевых твердых топлив, например, пониженную физико-химическую стабильность, повышенную взрывоопасность, более узкий температурный диапазон эксплуатации зарядов. [8,стр.185-187]
1.2. Свойства металлического горючего
Порошкообразный металлический алюминий в силу высокой теплоты горения (∆H= -837,5 кДж/моль) широко используется в высокоэнергетических системах: в термитных составах, смесевых топливах и взрывчатых веществах, а также в составах для самораспространяющегося высокотемпературного синтеза тугоплавких соединений. Реакционная способность порошков алюминия во многом зависит от размера частиц и существенно увеличивается при переходе к частицам размером менее 1 мкм.[9]
В данной работе использовался алюминий двух марок: АСД-6 (промышленный алюминий) и Alex (ультрадисперсный порошок). Поэтому о них более подробно.
Алюминий марки АСD-6
Характеристики АСД-6 приведем в Таблице 1. Характеристики взяты из аналитического паспорта ТУ 48-5-226-87.
Таблица 1. Характеристики АСД-6
| П/П | Характеристики | Значение |
| 1. | Удельная поверхность, м2/г | 0.50 – 0.65 |
| 2. | Гранулированный состав мкм в % 0 – 5 5 – 10 10 – 20 20 | 61 32 6 2 |
| 3. | Содержание свободного металла, масс.% | 98.5 – 99.0 |
| 4. | Содержание примесей Fe Si | Не обнаружено |
| 5. | Содержание влаги, % | 0.03 – 0.08 |
| 6. | Точка плавления, ºС | Справочнн. |
| 7. | Взаимодействие с водой при 20 – 100 ºС | нет |
Алюминий марки «Alex»
Характеристики приведем в Таблице 2 на основании сертификата партии «Alex», соответствующего ТУ 1791-002-36280340-2005.
Таблица 2. Характеристики Alex
| П/П | Характеристики | Значение |
| 1. | Удельная поверхность, м2/г | 24.5 |
| 2. | Гранулированный состав мкм в % 1.0 0.05 0.01 0.15 0.20 | 1.0 20.0 70.0 5.0 1.0 |
| 3. | Содержание свободного металла, масс.% | 90 – 92 |
| 4. | Содержание примесей Al2O3 | 7 – 9 |
| 5. | Температура воспламенения, ºС | 300 |
| 6. | Точка плавления, ºС | 640 |
| 7. | Взаимодействие с водой при 50 ºС | с выделением водорода |
| 8. | Насыпная плотность, г/см3 | 0.07 |
Материал состоит на 90 - 92% из активного алюминия. Содержание оксида алюминия находиться в пределах 7 - 9%, содержание адсорбированных газов до 1%.
Внешний вид и цвет: порошок серого цвета. Точка плавления 640°С. Общий вид порошка изображен на рис. 1. Гистограмма распределения частиц по размерам изображена на рис. 2. Вероятностный (средний арифметический) размер аn = 77 нм; размер, размер средний по поверхности as = 89 нм; средний массовый размер аm = 103 нм. Электронная микроскопия высокого разрешения свидетельствует о наличии многочисленных кристаллических дефектов.
Порошок реагирует с водой при температуре 50°С с выделением водорода. При взаимодействии с открытым пламенем в воздухе воспламеняется. ALEX™(50) энергично взаимодействует в экзотермических реакциях с кислородсодержащими жидкостями, с галогенсодержащими органиками и другими окислителями. При нагревании в атмосфере сухого воздуха до 80 °С не воспламеняется. Воспламеняется при температуре около 300°С.
ALEX™(50) может найти применение в пиротехнике, материаловедении.
Рис. 1. Характерная фотография нанопорошков алюминия
