реферат, рефераты скачать Информационно-образоательный портал
Рефераты, курсовые, дипломы, научные работы,
реферат, рефераты скачать
реферат, рефераты скачать
МЕНЮ|
реферат, рефераты скачать
поиск
Влияние дисперсности алюминия и каталитических добавок на характеристики горения систем на основе активного горючего-связующего

Влияние дисперсности алюминия и каталитических добавок на характеристики горения систем на основе активного горючего-связующего

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

Рис. 2. Гистограмма распределения частиц порошка алюминия по размерам Ось ординат - число частиц, ось абсцисс - размер частиц в нм.

1.3.   Свойства каталитических добавок Si, SnC, сажи

Катализаторы горения - добавки, вводимые в состав смесевых твердых топлив с целью увеличения скорости горения. Катализаторы лишь снижают энергетику топлива, и их действие на величину скорости связано с увеличением скорости химической реакций в зоне горения.

В смесевых твердых топливах катализаторы, как правило, увеличивают скорость горения, слабо меняя ее зависимость от давления. Эффективность действия добавок зависит от состава топлив (соотношение компонентов, дисперсности окислителя, природы связующего), температуры заряда и давления, при котором происходит горение.

В данной работе использовались порошкообразные катализаторы. Их эффективность возрастает с увеличением их концентрации в составе топлива до 1-2%, когда скорость горения увеличивается на 30-70%. Дальнейшее повышение содержания добавки слабо отражается на ее влиянии. Это, вероятно, связано с накоплением частиц катализатора на поверхности горения, которое слабо зависит от исходной концентрации добавки в составе при достижении некоторого ее значения [10, стр. 173].

1.4.   Свойства окислителей


В качестве окислителей твердых смесевых ракетных топлив применяются твердые вещества, в основном это соли азотной (нитраты) и хлорной (перхлораты) кислот, например, часто используемые перхлорат аммония и нитрат аммония (аммиачная селитра)[6].

Нитрат аммония - один из основных компонент, используемый как окислитель, при изготовлении твердых смесевых топлив. Интерес к использованию нитрата аммония (НА) в перспективных высокоэнергетических топливах обусловлен тем, что он является полностью газифицируемым, производит чистые и бездымные продукты сгорания, является дешевым, доступным и безопасным энергетическим материалом.

Нитрат аммония хорошо растворяется в воде (при 20ºС 179г НА в 100г воды), обладает высокой гигроскопичностью, является слабым взрывчатым веществом с теплотой взрыва 1400 кДж/кг. В чистом виде НА- полиморфное кристаллическое вещество с ºС и плотностью кристаллов ρ=1,725г/

Глава 2. Методики теоретического и экспериментального исследования системы Al - АГСВ - каталитические добавки

В данной главе описаны основные методики, которые использовались в данной работе. А именно:

- методика термодинамического расчета по программе Астра-4;

- методика зажигания нагретой поверхностью;

- методика изготовления образцов;

- изучение горения на открытом воздухе при 1атм;

- математическая обработка экспериментальных данных.


2.1. Методика термодинамического расчета по программе Астра-4


Энергетические характеристики ракетных топлив, а также термодинамические и теплофизические свойства их продуктов сгорания определяются в результате термодинамического расчета. Исходными данными для термодинамического расчета являются элементарный химический состав топлива и энтальпия исходного топлива; дополнительно задаются значения давления в камере сгорания pk. Термодинамические расчеты в настоящее время проводятся на ЭВМ.[1,стр.28]

Комплекс АСТРА-4 предназначен для определения характеристик равновесия, фазового и химического состава произвольных систем.

В качестве термодинамических параметров определяющих условия равновесия исследуемой системы применяются давление, температура, удельный объем, внутренняя энергия, энтропия и энтальпия.

Одной из основных энергетических характеристик топлива является удельный импульс. Выражение для удельного импульса в случае ра=рк можно представить в виде

Iуд=,


где iт, iа- удельные энтальпии твердого топлива и продуктов сгорания в выходном сечении сопла соответственно.

Для сравнения различных твердых топлив по энергетическим характеристикам используются значения удельного импульса, приведенного к давлению при стандартных условиях, за которое для РДТТ обычно принимают давление в камере рк=4МПа, и давление в выходном сечении сопла ра=0,1МПа.

Удельным импульсом ракетного двигателя называется характеристика, равная отношению создаваемого им импульса (количества движения) к расходу топлива.

Величина удельного импульса играет столь важную роль в ракетной технике, что уместно здесь сделать некоторые замечания о ее физическом смысле. Прежде всего, возникает вопрос о том, почему удельный импульс измеряется в единицах времени - секундах (могут применяться и более крупные единицы - минуты, часы). Что это за время? Речь идет о времени, в течение которого в данном двигателе сгорает 1 кг топлива, создавая тягу в 1 кгс. Таким образом, удельный импульс является для ракетчиков мерой экономичности двигателя, характеристикой величины удельного расхода топлива. Чем больше удельный импульс, тем меньше будет израсходовано топлива на совершение данного полета.

Тяга двигателя представляет результирующую всех сил, действующих на двигатель, обусловленных внутрикамерными процессами в нем и давлением невозмущенной среды, следовательно,


Р = Рвн + Рнар,


где Рвн - равнодействующая внутренних сил давления продуктов сгорания на стенки камеры;

 Рнар - равнодействующая наружных сил давления невозмущенной среды на стенки двигателя.

         Уравнение тяги ракетного двигателя получаем в виде


,


где - давление в выходном сечении сопла;

         - площадь поперечного сечения сопла.

Скорость истечения газа вычисляется по формуле:


, где


ωа - скорость газа на выходе из сопла, м/с,

Т-абсолютная температура газа на входе,

R- универсальная газовая постоянная , R=8.314Дж/(кмоль*К),

M-молярная масса газа, кг/кмоль,

k- показатель адиабаты,,

Cp-удельная теплоемкость при постоянном давлении, Дж/(кмоль*К),

Cv- удельная теплоемкость при постоянном объеме, Дж/(кмоль*К),

Pe- абсолютное давление газа на выходе из сопла, Па

P- абсолютное давление газа на входе в сопло, Па

Отметим, что тяга в пустоте равна Рвн- равнодействующей внутренних сил давления продуктов сгорания на стенки камеры.

Итак, ракетная техника ждет от химии топлив с помощью которых, прежде всего, может быть получена наибольшая скорость истечения, или наибольший удельный импульс, что равнозначно.[1, cтр.29]

Страницы: 1, 2



© 2003-2013
Рефераты бесплатно, рефераты литература, курсовые работы, реферат, доклады, рефераты медицина, рефераты на тему, сочинения, реферат бесплатно, рефераты авиация, курсовые, рефераты биология, большая бибилиотека рефератов, дипломы, научные работы, рефераты право, рефераты, рефераты скачать, рефераты психология, рефераты математика, рефераты кулинария, рефераты логистика, рефераты анатомия, рефераты маркетинг, рефераты релиния, рефераты социология, рефераты менеджемент.