CC BY
55
Д. К. Гайнутдинов, И. А. Абдуллин, О. И. Белобородова,
С. А. Выборнов
РАСЧЕТНАЯ ОБЛАСТЬ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ТЕПЛОПЕРЕНОСА ОТ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ ПИРОТЕХНИЧЕСКИХ СОСТАВОВ В УСЛОВИЯХ ПОЛУЗАМКНУТОГО ОБЪЕМА
Ключевые слова: теплопередача, тепловой состав, пиротехнический элемент, теплогенератор, технологический режим.
В работе представлена оптимальная область теплофизических параметров, необходимых для нагрева поверхностей конструкций до технологической температуры переработки полиэтиленовых изделий в сварное соединение, полученная расчетным методом с применением программы «Профиль». Выявлены некоторые закономерности теплопереноса в системе «продукты сгорания - металлическая стенка» при использовании теплового состава на основе железо-магниевого термита в качестве теплоисточника в условиях полузамкнутого объема. Экспериментальным методом подтверждена адекватность выбранного метода расчета. Предложено использовать полученные расчеты при конструировании пиротехнических изделий для сварки полимерных труб.
Keywords: heat transmission, thermal composition, pyrotechnic element, heat generator,
processing method.
In article was presented the optimum area of thermophysical parameters, necessary for heating surfaces of constructions to technological temperature of processing of polyethylene products in welded connection, received by a settlement method with application of the program "Profile". Some laws in system «combustion products - a metal wall» are revealed at use of thermal structure on a basis iron-magnesium termite as source of heat in the conditions of half-closed volume. The experimental method confirms adequacy of the chosen method of calculation. It is offered to use the received calculations at designing of pyrotechnic products for welding of polymeric pipes.
Введение
Полный процесс передачи тепла от продуктов сгорания к стенке нагревательного элемента в результате высокоэкзотермической реакции горения условно происходит в два этапа:
1) В процессе сгорания пиротехнического элемента осуществляется процесс теплоотдачи совместным действием трех механизмов передачи тепла, образующих «активную зону действия теплового потока»:
- излучением высоконагретых продуктов сгорания (максимальный эффект наблюдается непосредственно в момент прохождения фронта горения);
- конвекцией газообразных продуктов сгорания по пористому шлаку (максимальный эффект наблюдается после прохождения фронта горения в результате вынужденной конвекции);
- теплопроводностью в местах контакта конденсированных продуктов со стенкой.
2) После сгорания пиротехнического элемента и достижения максимальной
температуры нагрева стенки происходит постепенное остывание поверхности, скорость процесса которого помимо температурного фактора (теплообмена с телами) зависит от теплофизических свойств продуктов сгорания. Это объясняется тем, что отдача тепла от продуктов сгорания происходит за счет теплопроводности, так как излучение и конвекция в этот период времени выражены незначительно [1].
Разработка различных теплогенераторов пиротехнического типа требует нормированного подвода тепла. Для определения необходимого теплового потока и времени его действия, а также уменьшения числа экспериментов был произведен теоретический расчет с применением разработанной в НИУ КГТУ программы «Профиль» [2], позволяющей моделировать удельный процесс теплопередачи без проведения экспериментов. В результате была получена область оптимальных параметров (выделенная область) для нагрева стенки толщиной 5 мм до температур 210- 230 оС (рис. 1). Толщина стенки была выбрана исходя из минимальной безопасной толщины металла при воздействии на него тепловых потоков, определенных при сгорании состава ТИ-5М.
Граничные кривые, моделирующие нагрев внешней поверхности стенки для осуществления технологического режима сварки полиэтиленовых труб [3] до температуры 210 и 230 оС описываются соответствующими уравнениями:
У = 8191,5 X " 1’0068 - осуществляется нагрев до 210 оС;
У = 8926,8 X " 1’005- осуществляется нагрев до 230 оС.
q, кВт/м2
2000 1900 1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
Рис. 1 - Область расчетных температур
Исходя из того, что при горении пламенных составов диспергированные продукты сгорания (теплоносители) обтекая нагреваемый объект безвозвратно выносятся в окружающею среду, использование данных составов для разогрева требуемой поверхности
малоэффективно. Поэтому наиболее приемлемо использовать в качестве теплоносителя продукты сгорания тепловых термитных составов с минимальным образованием газов. За счет непосредственного контакта разогретого пиротехнического остатка с нагреваемым объектом увеличивается время действия теплового потока.
Определение необходимых массогабаритных параметров пироэлемента, при сгорании теплового состава которого достигаются вычисленные параметры, позволит осуществлять заданный технологический режим нагрева под конкретный объект.
Экспериментальная часть
Для подтверждения адекватности теоретического расчета была проведена серия экспериментов по нагреву цилиндрических установок разных диаметров, представляющих собой изделия полузамкнутого объема со значительным отводом тепла стенками (рис.2).
Разогрев данных установок осуществляется за счет экзотермической реакции горения тепловых пиротехнических составов, помещаемых во внутреннюю полость конструкции. Установка снабжена отверстием для воспламенения 5, являющимся одновременно отверстием для выхода газообразных продуктов сгорания. Фиксация температуры нагрева поверхности и подводимого теплового потока осуществлялась закрепленными термопарами, сигналы которых регистрировались аналого-цифровым преобразователем L-CARD E 14-440 при частоте измерений 100 Гц с передачей данных на компьютер посредством программы PowerGraph 3.3 в формате Microsoft Excel [4-5].
Рис. 2 - Пиротехническое изделие для сварки полиэтиленовых труб: 1 - корпус; 2 -крышка; 3 - пироэлемент; 4 - ручка с теплоизолятором; 5 - отверстие для воспламенения; 6 - медь-константановые термопары
В качестве теплового источника был выбран состав ТИ-2Д-А (77,5 % FeзO4, 20 % МПФ-1, 2,5 % БНКС-28 АМН и 5 % порошка асбеста св.100 %), в процессе горения которого образуются твердые пористые шлаки, доля которых составляет 96,8 % от исходной массы. Минимальная толщина пиротехнического элемента, ограниченная «критической толщиной горения» плоского пироэлемента, составила 6мм при коэффициенте уплотнения 0,39. Максимальная толщина, ограниченная внутренними габаритами установки, составила 2 см.
На рис.3 представлена зависимость нагрева установки диаметром 48 мм от массы используемого состава.
Рис. 3 - Изменение температуры нагрева поверхности 48 мм установки от массы используемого пироэлемента
Температуру нагрева установки в зависимости от массы используемого пиротехнического состава можно описать уравнением: у= - 0,1782- х2 + 14,937-х + 66,026
На рис. 4 представлена кривая изменения температуры нагрева при разогреве установки для сварки полимерных труб с номинальным диаметром 70 мм и толщиной стенок 5 мм.
Рис. 4 - Изменение температуры нагрева поверхности 70 мм установки от массы используемого пироэлемента
Температуру нагрева установки в зависимости от массы используемого пиротехнического состава можно описать уравнением: у= - 0,0516- х2 + 8,0067х + 47,354
Обсуждение результатов
Значения тепловых потоков от продуктов сгорания к стенке нагревательного элемента и время их действия, при котором осуществляется нагрев внешней поверхности путем передачи тепла через металлическую стенку, показывают сходимость с ранее проведенным теоретическим расчетом по программе «Профиль» (рис. 1), что говорит об адекватности расчета и возможности его дальнейшего применения.
Фиксация тепловых потоков от продуктов сгорания состава к стенке нагревательного устройства, за счет которых осуществлялся разогрев внешней поверхности установок до 230 оС показала, что для 48 мм значение теплового потока составило 376,7 кВт/м2 при времени действия теплового потока 24 с. Для 70 мм установки
- 409,1 кВт/м2 при времени действия теплового потока 22 с.
Отличие по времени действия теплового потока связано с тем, что используемые пироэлементы имеют при этом разную толщину и площадь теплоотвода (контакта продуктов сгорания со стенкой).
Таким образом, применяя полученные расчеты можно заранее подбирать необходимые параметры тепловых потоков от образующихся продуктов сгорания, для нагрева соответствующей конструкции до необходимой температуры с определением необходимых типоразмеров требуемого пироэлемента, при использовании зависимости изменения теплового потока от толщины исследуемого пиротехнического состава.
Литература
1. Абдуллин, И. А. Тепловые пиротехнические составы. Свойства, технология, применение: Учебное пособие / И. А. Абдуллин, О. И. Белобородова. - Казань: Казан. гос. технолог. ун-т., 2004. - 120 с.
2. Абдуллин, И. А. Компьютерное моделирование процесса теплообмена продуктов сгорания пиротехнических составов при различных граничных условиях / И. А. Абдуллин [и др.] / Вестник Казан. технол. ун-та. - Казань: Казан. гос. технол. ун-т., 2000. - №2 - С. 69-74.
3. Кимельблат, В. И. Техника и технология производства полимерных труб и соединительных деталей: Монография / В. И. Кимельблат, И. В. Волков. - Казань: Казан. гос. технолог. ун-т., 2006. - 188 с.
4. Абдуллин, И. А. Автоматизированная установка для определения температуры горения пиротехнических составов / И. А. Абдуллин [и др.] // Вестник Казан. технол. ун-та. - №6, - Ч. 2. -
- С. 164-168.
5. Абдуллин, И. А. Аппаратурное оформление сварки полимерных труб термохимическим способом / И. А. Абдуллин [и др.] / Вестник Казан. технол. ун-та. Спецвыпуск. - 2008. - С. 5-7.
© Д. К. Гайнутдинов - асп. каф. химии и технологии гетерогенных систем КГТУ; И. А. Абдуллин -д-р техн. наук, проф. каф. химии и технологии гетерогенных систем КГТУ, проректор КГТУ, ilnur@cnit.ksu.ras.ru; О. И. Белобородова - канд. техн. наук, доц. каф. химии и технологии гетерогенных систем КГТУ; С. А. Выборнов - асп. каф. химии и технологии гетерогенных систем КГТУ.
