CC BY
17УДК 662.1: 621.35
Д.Б. Демьяненко1, А.С. Дудырев2
Исследования и разработки, проведенные в СПбГТИ(ТУ), показали возможность прямого преобразования химической энергии пиротехнических композиций в электрическую энергию в режиме горения. Эта возможность реализована устройством, названным пиротехническим генератором или пиротехническим источником электрического тока (ПИТ) [1-3].
ПИТ является новым типом резервных источников тока, в котором для генерации тока используются электрические потенциалы, возникающие в определенных зонах конденсированной фазы горящих пиротехнических зарядов.
Механизм возникновения электрических потенциалов связан с сопряженными окислительно-восстановительными процессами электрохимической природы, происходящими на границах фаз гетерогенной пиротехнической системы, обладающих различными типами электрической проводимости [4].
ПИТ обладают высокой надежностью, стойкостью к внешним воздействующим факторам, длительным сроком хранения без изменения характеристик и низкой стоимостью. Эти, а также другие их преимущества сравнению с существующими резервными источниками тока обусловили их внедрение в более чем 20 образцах различных отраслей техники [5-6].
Для получения электрического тока с параметрами, представляющими практический интерес, разработано несколько конструктивных схем ПИТ, в которых один или оба электрода являются пиротехническими зарядами.
Представляет практический интерес оценка максимальной электрической мощности ПИТ. При горении пиротехнических электродных малогазовых композиций, которыми снаряжаются ПИТ, их химическая энергия преобразуется, в основном, в тепловую. Образующиеся при их горении конденсированные продукты нагреваются до температур, которые определяются отношением теплоты горения к суммарной теплоемкости продуктов горения. Очевидно, что в случае преобразования части энергии, выделяющейся при горении пиросостава, в электрическую энергию, количество энергии, выделяющейся в виде тепла, должно соответственно уменьшиться. Однако, для каждой пиротехнической композиции существует некий минимум тепловой энергии, необходимый для поддержания ее горения в виде пиротехнического заряда той или иной конструкции. Эта минимально необходимая энергия и определяет
ОЦЕНКА ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ ПИРОТЕХНИЧЕСКОГО ИСТОЧНИКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет) 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26
На основании экспериментов и расчетов на примере одного из вариантов пиротехнических источников электрического тока показано, что потенциальная электрическая мощность этого нового класса устройств резервной электроэнергетики может достигать нескольких сотен ватт на квадратный сантиметр поверхности горящего электрода - пиротехнического заряда. Показаны пути повышения энергетических характеристик пиротехнических источников тока.
Ключевые слова: горение, электрод, температура, электролит, энергетический баланс, поляризация.
минимальную температуру, при которой заряд в данных условиях еще способен к горению.
Одним из вариантов ПИТ является конструкция, в которой горящий пиротехнический заряд и продукты его сгорания являются катодом источника тока, а анодом служит металлический электрод в виде пластины, размещенной в торцевой части пирозаряда [2-4]. Высокие электрические характеристики в такой конструкции ПИТ обеспечивает катодный пиросостав, содержащий (% масс.): РЬО2 - 67,3; ггВ2 - 12,7; ИР - 20,0. Заряд ПИТ, выполненный из этого оптимизированного по рецептуре состава, при плотности 4,4 г/см3 горит со скоростью 1,6 мм/с. Экспериментально измеренная температура его горения равна 1950 К, а тепловой эффект горения -ДН°298 = 1,53 кДж/г.
Эксперименты показали, что увеличение содержания в составе ИР при неизменном соотношении между РЬО2 и ггВ2 (5,3:1) скорость и температура горения уменьшаются. При содержании ИР более 35% масс. горение прекращается. Таким образом, температуру горения композиции (% масс.): РЬО2 - 54,7; ггВ2 - 10,3; ЫР - 35,0 можно принять минимальной, при которой процесс горения возможен. Эта температура равна 1550 К, а а тепловой эффект горения - 1,24 кДж/г. Поскольку эти две композиции содержат одни и те же компоненты, имеют одинаковые продукты сгорания и их теплофи-зические свойства отличаются мало, то эту температуру горения можно принять за минимальную, при которой возможно горение и оптимизированной композиции.
Расчет показывает, что, с учетом фазовых превращений продуктов сгорания (РЬ, 7гО2, В2О3 и ИР), энергия, необходимая для нагревания продуктов сгорания до температуры 1550 К, равна 0,94 кДж/г. Таким образом, в электрическую энергию при сгорании 1 г состава может быть преобразовано максимум 0,59 кДж. Учитывая, что массовая скорость горения этой композиции равна 0,7 г/ см2-с, теоретически максимальная электрическая мощность может составить около 400 Вт с 1 см2 горящей поверхности заряда.
Полученная величина является оценочной. Фактическая достигнутая мощность этого варианта ПИТ более чем на два порядка ниже, что свидетельствует о том, что энергетические возможности пиротехнической электродной композиции для получения электрического тока реализуются далеко не в полной мере. Следует отметить, что и в большинстве современных тепловых химических источников электрического тока выдаваемая на нагрузку мощ-
1 Доктор технических наук, доцент кафедры высокоэнергетических процессов, тел.:(812)495-74-80
2 Доктор технических наук, профессор, ректор СпбГТИ(ТУ)
Дата поступления - 3 марта 2008 года.
ность не превышает 15% от теоретически возможной, рассчитанной по количеству их электрохимически активных электродных масс [7]. Для приведенного варианта ПИТ эта величина составляет около 4%.
Очевидными причинами низкой реализации энергетических возможностей приведенного выше варианта пиротехнической композиции для генерации электрического тока являются малое время существования расплава электролита - ЫР (температура плавления 1122 К) при горении пирозаряда, что связано с быстрым остыванием продуктов сгорания заряда без теплоизоляции. Кроме того, вследствие большой разности между температурами плавления ИР и температурой, при которой в волне горения пиротехнического заряда начинает восстановление РЬО2 (493-553К), значительная часть этого окислителя восстанавливается до начала его контакта с расплавом электролита, обладающего ионной проводимостью. Это снижает ЭДС ПИТ и является одной из причин поляризации катодного пирозаряда. Применение электролита с более низкой температурой плавления, например РЬСЬ (температура плавления 768К) существенно увеличивает степень использования электрохимических материалов и повышает его электрические характеристики [2-3].
Анализ механизмов токообразования и возможных конструкций источника электрического тока покаывает, что реальными путями повышения энергетических характеристик ПИТ являются:
—повышение коэффициента использования электродных материалов за счет оптимизации конструкции ПИТ, например, применением электродов-пирозаря-дов, выполненных в виде тонкослойных пластин и термостатирования ПИТ путем применения эффективной теплоизоляции;
—использование ионопроводящей среды (электролитов) с низкими температурами плавления и высокими температурами кипения;
—применение в ПИТ быстрогорящих композиций на основе горючих и окислителей, окисление и восстановление которых происходит в процессе горения с максимальной полнотой и без диффузионных и кинетических ограничений.
Литература
1. Демьяненко Д.Б., Дудырев А.С. // Современные проблемы пиротехники: Материалы II Всероссийской конференции, Сергиев Посад, 27-29 ноября 2002 г. Сергиев Посад: ИИД "Весь Сергиев Посад", 2003. С.87-89.
2. Демьяненко Д.Б., Дудырев А.С. // Современные проблемы технической химии: Материалы докладов Всероссийской научно-технической конференции / Казань: Казанский гос. технологический университет, 2003. С. 130-142.
3. Демьяненко Д.Б, Дудырев А.С. // Известия Российской академии ракетных и артиллерийских наук. 2005. Вып.3(44). С. 55-64.
4. Демьяненко Д.Б, Дудырев А.С, Егоров И.М. // Современные проблемы технической химии: Материалы докл. международной научно-технической конференции / Казань: Казанский гос. технологический университет, 2004. С. 121-129.
5. Просянюк В.В, Суворов И. С, Сегейкин Г.И, Куликов А.В. // Российский химический журнал (Журнал Российского химического общества им. Д.И. Менделеева), 2006. Т. 50. №5, С. 113-119.
6. Химические источники тока: Справочник / под ред. Коровина И.В. и Скундина А.М. М.: Изд-во МЭИ, 2003. 740 с.
7. Кукоз Ф.И, Труш Ф.Ф, Кондрашенков В.И. Тепловые химические источники тока. г. Ростов-на-Дону: Изд-во Ростовского университета, 1989. 208 с.
Рекомендовано к публикации кафедрой высокоэнергетических процессов СПбГТИ(ТУ)
