CC BY
66
Д. К. Гайнутдинов, С. А. Арутюнян, О. И. Белобородова,
И. А. Абдуллин
РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОПЕРЕНОСА ОТ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ ТЕРМИТНЫХ СМЕСЕЙ В УСЛОВИЯХ ПОЛУЗАМКНУТОГО ОБЪЕМА
Ключевые слова: железо-магниевый термит, высоконагретые пиротехнических шлаки,
температурный интервал нагрева.
В работе представлены результаты испытаний по нагреву калориметрической установки, представляющей собой конструкцию полузамкнутого объема, тепловыделением при сгорании составов на основе железомагниевого термита. Выявлены некоторые закономерности теплопереноса в системе «продукты сгорания - металлическая стенка». Предложено использование пиротехнического изделия в качестве альтернативного способа сварки полимерных труб.
Keywords: iron-magnesian termite, heating pyrotechnic slags, a temperature interval of heating.
In work results of tests on heating of the calorimetric installation representing a design of half-closed volume, are presented by a thermal emission at combustion of structures on a basis termite iron-magnesian. Some laws heat-carrying over in system «combustion products - a metal wall» are revealed. Use pyrotechnic products as an alternative way of welding ofpolymeric pipes is offered
Введение
Специальный эффект тепловых составов определяется количеством выделенного и переданного нагреваемому объекту тепла. При стехиометрическом соотношении железной окалины и порошка магния 70/30 температура горения и теплота сгорания составляют соответственно 3031 К и 3516 кДж/кг с содержанием конденсированных веществ 88,77% [1]. Высокий тепловой эффект химических реакций процесса горения пиротехнических составов и изделий позволяет использовать его в военной технике и народном хозяйстве для нагрева различных материалов до температуры, достаточной для их дальнейшей переработки или целевого использования.
Введение в двойную смесь железо-магниевого термита технологической добавки позволяет формовать пироэлементы различными способами и избежать свойственного порошкообразной смеси расслоения компонентов при транспортировке [2].
Экспериментальная часть
В данной работе за объект исследования была выбрана тройная смесь, состоящая из железной окалины (оксида железа (II, III)), порошка магния (МПФ-2) и добавки бутадиен-нитрильного каучука. Для сравнения исследуемых характеристик (температуры нагрева калориметрической установки и доли конденсированной фазы) была выбрана штатная рецептура состава ТИ-5М (65% Fe304, 30% МПФ-1, 5% СКН-26) с заменой связующего на аналог (каучук БНКС 28 АМН) в связи прекращением выпуска СКН-26. Введение лакового раствора каучука в равной смеси ацетона и
метиленхлорида позволяет формировать пироэлементы методом литья в формы различной геометрической конструкции. Данная добавка увеличивает долю газообразных продуктов сгорания и снижает температуру и теплоту сгорания смеси. Поэтому в работе исследовали возможность снижения доли БНКС 28 АМН в составе. Как показали предварительные испытания, для формирования качественных образцов минимально необходимым является содержание связующего 2,5 %.
Содержание магниевого порошка изменяли от 20 до 30 % за счет железной окалины. Образованная область в виде треугольника была исследована при помощи диаграммы «состав - свойства» симплекс - решетчатым методом (модель Шеффе №5). В качестве исследуемых параметров были выбраны: температура нагрева внешней стенки установки (рис. 1) и количество конденсированной фазы (рис. 2) в виде пиротехнического шлака.
Рис. 1 - Влияние соотношения между компонентами на температуру нагрева внешней стенки (оС) калориметрической установки
Рис. 2 - Влияние соотношения между компонентами на количество пиротехнического шлака после сгорания состава
/ 2
Рис. 3 - Калориметрическая установка: 1-крышка, 2-отверстие для выхода газообразных продуктов, 3- корпус, 4- пиротехнический элемент, 5- медь-константановые термопары
Исследование проводили сжиганием образцов массой 33 г в калориметрической установке (с толщиной стенки 5 мм), представляющей собой цилиндрическое полое изделие полузамкнутого объема (рис. 3) диаметром 70 мм. Данная установка имеет отверстие для воспламенения пиротехнических образцов с последующим отводом через него газообразных продуктов сгорания. К боковой поверхности калориметра прикреплены медь-
константановые термопары, подключенные к преобразователю напряжения Ь-САКО Е-270, при помощи которого фиксировались тепловые потоки от нагретой стенки [3 - 7].
Обсуждение результатов
Кривые изменения исследуемых параметров диаграмм «Состав-свойство» показывают, что с увеличением содержания связующего БНКС-28 резко снижаются значения температуры нагрева и количества конденсированных шлаков, в которых содержится основной запас тепловой энергии постепенно передаваемой стенке. Поэтому наиболее приемлемыми являются рецептуры с минимальным содержанием каучука (2,5%).
Экспериментально было установлено, что составы с содержанием металлического горючего (магния) более 30% при содержании БНКС 2,5% к горению в данных условиях не способны. Полученные значения представлены в табл. 1.
Таблица 1 - Параметры горения составов
Содержание магния в составе, % ОБ % % ■& * N Т оС I нагр> ^ Скорость остывания, оС/с
20 0,89 95,42 249 0,20
25 -3,77 96,99 292 0,26
27,5 -6,11 97,24 311 0,28
30 -8,44 97,76 318 0,29
Изменение температуры поверхности калориметрической установки от времени воздействия представлено на рис. 4.
Рис. 4 - Кривые остывания поверхности калориметра при различном содержании МПФ-1 (%)
Доступ окислительных элементов в условиях полузамкнутого процесса ограничен. При горении пиротехнического состава каучук не участвует в процессе горения. Он имеет большую кислородоемкость и малую активность по сравнению с магнием. Это приводит к тому, что каучук термически деструктирует, образуя пористый углеродный каркас. Выделяющихся при разложении окислителя окислительных элементов достаточно лишь на окисление частичек магния, поэтому говорить о термоокислительной деструкции полимера при отрицательном кислородном балансе не представляется возможным.
Увеличение доли высоконагретых пиротехнических шлаков, сохраняющих в своем объеме основной запас выделенной тепловой энергии, приводит к белее полной передаче тепла стенкам и малым потерям при уносе с пламенем в окружающею среду. Это подтверждается экспериментальными значениями. Так максимальное полученное значение Zк.ф. 97,76% соответствует наибольшему значению переданного через стенку тепла 318 оС. Увеличение скорости остывания с возрастанием температуры нагрева поверхности, предположительно, связано с уменьшением доли образованного железа, обладающего большим значением объемной теплоемкости (3524 кДж/°С-м3), уменьшением пористости состава, несоответствием значений достигаемых максимальных температур и связанное с этим различие остывания при разных температурах.
За счет пористой структуры каркаса процесс остывания шлаков носит длительный характер. Постепенное снижение температуры может быть использовано для нагрева различных объектов, требующих выдержку в определенных температурно-временных интервалах.
По регламенту сварки полиэтиленовых труб процесс сварки осуществляют при температуре поверхности нагревательного элемента 220±10 оС. В зависимости от толщины стенки меняется время выдержки при данной температуре для оплавления торцов труб.
Из рис. 5 видно, что при сжигании пиротехнического элемента содержащего 20% и 30% МПФ-1, скорость остывания поверхности калориметрической установки позволяет выдерживать заданный температурный интервал соответственно в течение 98 и 91 с. Данное время достаточно для сварки полиэтиленовых труб с толщиной стенки до 7 мм.
Т, с
Рис. 5 - Кривая изменения температуры поверхности калориметрической установки
Использование рецептуры с содержанием металлического горючего 30 % позволит формировать пироэлементы меньшей массы для достижения заданной температуры нагрева. При необходимости более продолжительного воздействия рекомендуется использовать состав с содержанием МПФ-1 20%.
Варьирование массогабаритных параметров позволяет изменять тепловой поток от поверхности металлической стенки обеспечивая получение заданных температурновременных режимов нагрева.
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. Мадякин, Ф. П. Компоненты и продукты сгорания пиротехнических составов. Т.1. Основные понятия о пиротехнических составах и компонентах. Низкомолекулярные вещества: Учеб. пособие / Ф. П. Мадякин. - Казань: Казан. гос. технол. ун-т, 2006. -500 с.
3. 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. - С. 69-74.
4. Абдуллин, И. А. Автоматизированная установка для определения температуры горения пиротехнических составов / И. А. Абдуллин [и др.] // Вестник Казан. технол. ун-та. - Казань: Казан. гос. технол. ун-т., №6, Ч. 2. - 2006. - 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. - Казань: Изд-во Казан. гос. технол. ун-та, 2008. - С. 5-7.
6. Резников, М. С. Особенности теплового воздействия на полимерные материалы / М. С. Резников [и др.] // Вестник Казан. технол. ун-та. Спецвыпуск. - Казань: Казан. гос. технол. ун-т., 2008. - С. 27-31.
7. Богатеев, Д. Г. К модели взаимодействия тепловых потоков с полимерными материалами / Д. Г. Богатеев [и др.] // Вестник Казан. технол. ун-та. Спецвыпуск. - Казань: Казан. гос. технол. унт., 2008. - С. 32-37.
© Д. К. Гайнутдинов - асп. каф. химии и технологии гетерогенных систем КГТУ; С. А. Арутюнян -канд. техн. наук, нач. сектора ФГУП «ГосНИИХП»; О. И. Белобородова - канд. техн. наук, доц. 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.
