CC BY
12
УДК 662.311.1
Нгуен Зюи Туан, Денисюк А.П.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕМПЕРАТУРА ГОРЕНИЯ КОМПОЗИЦИЙ НА ОСНОВЕ НИТРАТА БАРИЯ ПРИ РАЗЛИЧНОМ ДАВЛЕНИИ
Нгуен Зюи Туан, аспирант 2-ого курса кафедры химии и технологии высокомолекулярных соединений; email: forget_mta@mail. ru;
Денисюк Анатолий Петрович, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой химии и технологии высокомолекулярных соединений.
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Определена зависимость экспериментальной температуры горения от давления композиций на основе нитрата бария с различным значением коэффициента избытка окислителя (а). Получено, что для образцов с а<0,57 экспериментальная температура горения при атмосферном давлении близка к расчётной, но это не свидетельствует о полноте горения, так как в волне горения не успевают проходить эндотермические реакции углерода, образовавшего при распаде полимера и пластификатора (это проводит к повышению температуры), а монооксид NO, образовавший при распаде нитрата, не полностью участвует в реакциях (это снижает температуру). Для образцов с более высоким значением а экспериментальная температура достигает расчётной только при давлении 7 МПа и выше.
Ключевые слова: экспериментальная температура, нитрат бария, коэффициент избытка окислителя а.
EXPERIMENTAL TEMPERATURE COMBUSTION OF COMPOSITIONS BASED ON BARIUM NITRATE AT DIFFERENT PRESSURE
Nguyen Duy Tuan, Denisyuk A.P.
Mendeleev University of Chemical Technology, Moscow, Russia
The dependence of the experimental combustion temperature on the pressure of compositions based on barium nitrate with different values of the oxidizer excess coefficient (a) is determined. It was found that for samples with a<0.57 the experimental temperature combustion at atmospheric pressure is close to the calculated value, but it does not indicate the completeness of combustion. Because the endothermic carbon reactions that formed during the decomposition of the polymer and plasticizer (it increases temperature) do not have time to go through the combustion wave, and the NO that formed during the decomposition of nitrate does not fully participate in the reactions (it lowers temperature). For samples with a higher value of a, the experimental temperature reaches the calculated value only at a pressure 7 MPa and higher.
Keywords: temperature combustion, barium nitrate, oxidizer excess ratio a.
Нитрат бария широко используется для разработки составов зелёного огня, а также для производства осветительных, сигнальных и фейерверочных изделий. В [1] показано, что композиции на основе нитрата бария с а<0,91 горят при атмосферном давлении. Однако, возникает вопрос, будет ли при этом достигаться полнота их горения. Очевидно, что для оценки полноты горения можно изучать состав продуктов горения и экспериментальные температуры. Отметим, что определение состава продуктов горения является сложной задачей, так как в процесс их охлаждения протекают вторичные реакции. Поэтому, первоначально для оценки полноты горения можно определить экспериментальную температуру горения и сравнить с расчётной, как это проводилось для пожаротушащих топлив на основе нитрата калия [2,3]. Такие данные важны и для установления их механизм горения.
Целью работы является определение температуры горения композиций на основе нитрата бария при различном давлении. В качестве связующего образцов использовали
фенолформальдегидную смолу,
пластифицированную дибутилфталатом.
Температура горения образцов (Тэ.) определена с помощью П-образных термопар W-Re толщиной 50 мкм. Расчётные температуры (Тр.) рассчитаны по программе Real [4]. Типичные осциллограммы «Тэ.-время» образцов на основе нитрата бария представлены на рисунке 1. Значение Тэ. определяли на участке с постоянной её значением. Принимали, что экспериментальная равна расчётной если ДТср=Тэ.-Тр<±35. Отметим, что на осциллограммах существуют колебания температуры, что связанно с наличием конденсированных продуктов в волне горения, налипающие на термопару.
16001400-
800-
200-
Т К
-Т — £5 «5й «а 4
/
1
II
II
Л- / 1111111
1 Ъ с 1
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0
Рис. 1. Типичная осциллограмма температуры горения образцов на основе Ba(NOз)2
Из полученных данных (табл. 1) следует, что при атмосферном давлении для образцов при низких значениях а<0,57 экспериментальная температура горения не отличается от расчётной, а при повышенных величинах а (0,72 и 0,91) она значительно ниже, чем расчётная.
Таблица 1. Расчётные и экспериментальные температуры горения образцов на основе нитрата бария при атмосферном давлении
а и, мм/с Тр., К Тэ., К ДТср.. К
0,50 1,2 1290 +10 1270 -20 -20
0,57 1,2 1485 +35 1451 -26 -34
0,72 1,3 1736 +34 1466 -20 -270
0,91 0,7 2159 +13 1500 -14 -659
Рассмотрим причины отклонение значения экспериментальной температуры от расчётного. Известно, что температура горения для баллиститных порохов при низких давлениях значительно ниже расчётной из-за незавершённости реакцией с участием NO [5]. Вероятно, это также происходит при горении изученных образцов при повышенных значениях а. Для определения количества непрореагирующего NO в волне горения образцов в случае отрицательного значения ДТср. были проведены термодинамические расчеты с фиксаций в продуктах горения различного количества NO. Так, для образцов на основе Ba(NOз)2 с а~0,72 и 0,91 величина Тэ. обеспечивается если в продуктах горения имеют 2,8 моль/кг NO и 4,2 моль/кг NO, соответственно (табл. 2).
Таблица 2. Расчётное количество газообразных продуктов горения образцов на основе Ба(М03)2, экспериментальная температура которых ниже расчётной при атмосферном давлении
Количество газообразных продуктов N2, моль/кг Ш, моль/кг то2, моль/кг ТО, моль/кг Игй, моль/кг и2, моль/кг
расчётное при Трасч.=1736К 3,16 0 3,88 6,31 3,07 1,68
расчётное при Тэксп. =1466К 1,76 2,80 0,81 6,55 1,28 4,24
расчётное при Трасч=2159К 3,29 0 6,04 1,98 3,54 0,23
расчётное при Тэксп. =1502К 1,19 4,2 1,11 3,92 1,84 2,48
Однако, с этой позиции не понятно, почему для образцов при низких значениях а экспериментальная температура близка к расчётной. Такой результат можно объяснить следующим образом: при низких значениях а в волне горения значительно ниже температура, чем для образцов с более высоким значением а, поэтому образовавшие при распаде полимера и пластификатора сажистые частицы не успевают эндотермически прореагировать с СО2 и Н2О и это должно увеличить Тэ. (как это предполагалось для горения низкокалорийных порохов [6]). Отметим, что для образцов с Ba(NO3)2 при низком а (0,5-0,57) в расчётном составе продуктов нет сажи, но в реальных условиях она есть, о чем свидетельствует чёрный цвет твёрдых продуктов горения (белые частицы BaCO3 и BaO покрыты сажистыми частицами), а монооксид NO, образовавший при распаде нитрата, не полностью участвует в реакциях и это снижает температуру по сравнениям с расчётной. Это экспериментально однозначно подтверждается тем, что в
калориметрической бомбе (У=300 см3) в атмосфере азота при сгорании 1 гр. образца на основе Ba(NO3)2 с а~0,57 в продуктах горения зафиксирован монооксид NO, который не существует в расчётном составе. Таким образом, при реальном горении образцов имеются факторы, которые оказывают противоположные влияния на Тэ.. При некоторых условиях положительное и отрицательное влияние этих эффектов количественно могут быть одинаковым и тогда Тэ=Тр..
Проводили определение величины Тэ. при давлении 3МПа для образцов с значением а~0,57 и 1,0. Обнаружили, что для образца а~0,57 значение Тэ=1670К близко к расчётному (1700К), а для образца с а~1,0 оно (1900К) ниже расчётной на 405К. При фиксации продуктов горения образца с а~1, величина Тэ. при этом достигается при содержании в продуктах ~3,3 моль/кг NO, т.е. даже при таком давлении происходит неполное горение (уменьшение количества CO2, H2O). При увеличении давления отклонение экспериментальной от
расчётной температуры горения уменьшается, и экспериментальная температура горения достигается расчётной при повышенном давлении (например, для образца с а~0,72 при Р=7МПа, рис. 2).
2200
2100
2000
1900
1800
1700
1600
1500
1400
1300
0 2 4 6 8 10
Рис. 2. Зависимость температуры горения образца с значением а~0,72 при различном давлении
Так, при атмосферном давлении экспериментальные температуры образцов на основе нитрата бария совпадают с расчётными только при низких а (0,48-0,57), а при более высоких а (0,720,91) - они значительно ниже. Это происходит из-за незавершённости реакций с участием монооксида азота, как и для многих порохов. Экспериментальная температура образцов с высоким значением а достигает расчётного значения только при повышенном давлении. Для образцов с низким значением а при горении, возможно, имеются различные факторы, которые оказывают противоположные влияния на температуру горения. При некоторых условиях положительное (в случае повышенного содержания СО2 и С в продуктах горения) и отрицательное (при содержании N0 в
продуктах горения) влияние этих эффектов количественно может быть одинаковым и тогда экспериментальная равна расчётной температуре. Но это не означает, что происходит полное горение образцов, особенно если наблюдаются дополнительные факты - наличие сажистых частиц в трубке, изменение цвета твёрдых продуктов горения.
Список литературы
1. Нгуен Зюи Туан, Денисюк А.П. Закономерности горения композиций на основе нитратов металлов I и II групп // Вестник Технического Университета - 2019 - Т. 22, №2 - С. 17-22.
2. Денисюк А.П., Русин Д.Л., Нгуен Дык Лонг. Механизм горения пожаротушащих топлив на основе нитрата калия // ДАН. — 2007. — том 414, №. 1. — С. 63-66.
3. Жуков Б.П., Денисюк А.П., Русин Д.Л., Шепелев Ю.Г. «Горение пожаротушащих порохов на основе нитрата калия» //ДАН. — 2002. — Т. 382, №4. — С. 492-496.
4. Г.В. Белов. Программный комплекс "REAL" для моделирования равновесных состояний термодинамических систем при повышенных значениях температуры и давления. МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 2003.
5. Денисюк А. П., Шепелев Ю. Г. Взаимодействие углеродных материалов с пороховыми газами // Физика горения и взрыва — 1989 — Т. 25, № 4. — С. 25-32.
6. А. П. Денисюк, Е Зо Тве, Особенности профиля температуры в волне горения низкокалорийных порохов // Физика горения и взрыва. - 2011. Т. 47. №2. - С. 66-73.
