CC BY
60
Д. К. Гайнутдинов, О. И. Белобородова, И. А. Абдуллин,
С. А. Арутюнян
ВЛИЯНИЕ ОКСИДНЫХ ДОБАВОК
НА ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ ТЕРМИТНЫХ СМЕСЕЙ
Ключевые слова: тепловой состав, технологический режим, теплопроводность, температура нагрева поверхности, сопротивления, конденсированные продукты
сгорания.
В работе представлены результаты испытаний по нагреву дифференциальной калориметрической установки, позволяющей фиксировать динамическую картину нагрева поверхности. Выявлены некоторые закономерности изменения теплофизических характеристик продуктов сгорания в зависимости от природы вводимых компонентов, влияющих на теплоперенос в системе «продукты сгорания - металлическая стенка». Предложено использовать полученные результаты при конструировании пиротехнических изделий для сварки полимерных труб.
Keywords: thermal composition, processing method, capacity of heat transmission, coefficient of thermal resistance, condensation combustion products.
In work results of tests on heating of the differential-calorimetric installation are presented, allowing to fix a dynamic picture of heating of a surface. Some laws of change thermophysical characteristics of products of combustion depending on the nature of the entered components influencing on теплоперенос in system «combustion products - a metal wall» are revealed. It is offered to use the received results at designing of pyrotechnic products for welding of polymeric pipes.
Повышенное потребление природных и энергетических ресурсов, связанное с ростом промышленных темпов и мощностей, поднимает вопрос о необходимости применения энергосберегающих технологий и методов использования альтернативных источников энергии. В качестве альтернативы современным методам нагрева в различных областях и сферах все чаще применяют тепловые пиротехнические составы.
Тепловыми пиротехническими составами называются составы, специальный эффект которых связан с использованием тепла, выделяющегося в процессе их сгорания, и определяется в значительной степени количеством выделенного и переданного нагреваемому объекту тепла [1].
Необходимо учитывать, что образующийся в результате процесса горения термитного состава высоконагретый пиротехнический шлак представляет собой сложную пористую структуру, образованную связанными между собой различными по природе продуктами сгорания, распределенными в объемном каркасе. Поэтому передачу тепла от образующихся в результате сгорания продуктов к плоской металлической стенке можно рассматривать как процесс теплоотдачи. Осуществляемый при этом разогрев
металлической стенки происходит за счет совместного действия тепловых потоков, образующихся в результате излучения высоконагретыми продуктами сгорания (максимальный эффект которого наблюдается непосредственно в момент прохождения фронта горения), вынужденной конвекции газообразными продуктами и теплопроводности в местах контакта с высокотемпературным шлаком[2].
Зачастую технологический режим переработки и (или) использования изделия, кроме нагрева поверхностей до определенной температуры требует выдержку в заданном температурном интервале. Увеличение последнего параметра посредством снижения скорости остывания системы можно добиться путем увеличения теплоемкости продуктов сгорания и коэффициента термического сопротивления (за счет снижения теплопроводности шлака). Это объясняется тем, что в период, следующий после завершения процесса горения, где передача тепла посредством свободной конвекции и излучения продуктами сгорания маловыражены и определяющим фактором сохранения тепла в системе «продукты сгорания - металлическая стенка» является снижение теплопроводности пиротехнического остатка).
Согласно литературным данным [3], снижения теплопроводности (без учета пористости) можно добиться за счет наличия в продуктах сгорания низко-теплопроводящих твердых продуктов (например, оксидов), а так же путем легирования восстановленного железа добавками.
В качестве объекта исследования была выбрана термитная смесь ТИ-2Д, включающая 77,5 % оксида железа (П,ПГ), 20 % порошка магния (МПФ-1) и 2,5 % бутадиен-нитрильного каучука БНКС-28 АМН. Для уточнения влияния увеличения доли оксидов в пиротехническом шлаке на его теплопроводность и характер передачи тепла, была проведена серия экспериментов с дополнительным введением оксидов металлов (5 % сверх 100 %), свойства которых представлены в табл.1.
Таблица 1 - Свойства вводимых добавок [4]
Компоненты р, кг/м3 с, Дж/(кг-К) с*р, кДж/(м3-К) X, Вт/(м-К)
MgO 3580 925 3311 59
SiO2(песок) 2200 880 1936 1,55
3MgO-2SIO2-2H2O (порошок асбеста) 1400 840 1176 0,12
Исследование проводили путем сжигания плоских образцов на дифференциальном калориметре (схематическое изображение которого представлено на рис.1) с изоляцией продуктов сгорания от окружающей среды асбестовым полотном КАОН-1.
Фиксация температуры нагрева медных калориметров и подводимого к ним теплового потока осуществлялась закрепленными термопарами, сигналы которых регистрировались аналого-цифровым преобразователем L-CARD E 14-440 при частоте измерений 50 Гц с передачей данных на компьютер посредством программы PowerGraph 3.3 в формате Microsoft Excel [5,6]. Результаты экспериментов представлены в табл. 2 и на рис. 2, 3.
Рис. 1 - Плоский дифференциальный калориметр: 1-7 - медные калориметры; 8-стальная подложка; 9 - теплоизоляция; 10 - кабель подключения к
автоматизированному комплексу; 11-17 - термопары медь - константановые; 18 -термопара вольфрам - рениевая; 19 - ТС; 20 - воспламенитель
Таблица 2 - Влияние добавок на характеристики горения и теплофизические параметры состава на основе железо-магниевого термита
Природа добавки си * а. <5 и X о X п £ 1- \= О4 .к N Скорость горения, мм/с .м , т & * & н. і ^ -4 13 И «Я2 о « § £ В, л «я ти й * « О (Я Л И и Сст о
- 398 96,3 2,7 3,81 0,187 0,356
3Мд0-28!02-2И20 (асбест) 383 96,8 2,5 4,26 0,166 0,316
8ІО2 (песок) 376 94,4 2,2 4,09 0,170 0,322
Мд0 363 94,4 2,1 3,90 0,191 0,346
Рис. 2 - Характер изменения температуры нагрева калориметра и коэффициента термического сопротивления в зависимости от объемной теплоемкости вводимой добавки
Рис. 3 - Характер изменения теплофизических параметров в зависимости от теплопроводности вводимых добавок
Обсуждение результатов
Введение данных добавок (табл.2, рис.2) в рецептуру исходного состава привело к незначительному снижению температуры нагрева поверхности дифференциального плоского калориметра. Это объясняется тем, что данные компоненты вводились в систему
в качестве стабильных при высоких температурных добавок сверх стехиометрического соотношения, инертно нагревающихся в результате экзотермической реакции горения основного состава.
Данные по теплопроводности продуктов сгорания (рис. 3), полученные по ГОСТ 7076-99 «Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме» показывают, что с введением менее активных низкотеплопроводных компонентов происходит изменение теплопроводности пиротехнического шлака в соответствии с изменением теплопроводности добавок.
Также выявлено, что с увеличением теплопроводности продуктов сгорания происходит снижение значений коэффициента термического сопротивления теплопередачи, что также подтверждает тот факт, что теплопроводность шлака является определяющей в процессе теплопередачи через плоскую металлическую стенку.
При этом изменение кривой теплопроводности шлаков (рис.3) подобно кривой скорости остывания системы. Однако изменение теплопроводности носит более резкий характер. Это можно объяснить влиянием температуры нагрева поверхности на процесс остывания шлака. Тем самым происходит незначительное увеличение скорости остывания системы при большем изменении путей оттока тепла за счет теплопроводности.
С точки зрения увеличения времени действия в определенном температурном интервале наиболее рационально использование асбестовой добавки, введение которой приводит к увеличению доли конденсированных продуктов сгорания, существенному снижению теплопроводности шлаков и скорости остывания системы.
Данную смесь рекомендуется использовать для нагрева изделий с поддержанием заданного интервала температур (не более 400 оС) в течение большого промежутка времени. Наиболее близко данный технологический режим отражает процесс сварки полимерных труб контактным методом, где данный состав может быть использован в качестве альтернативного источника разогрева нагревательного элемента.
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. - С. 69-74.
3. Кордон, М. Я. Теплотехника: Учебное пособие / М. Я. Кордон, В. И. Симакин, И.Д.Горешник. -Пенза: Пензин. гос. ун-т., 2005. - 167 с.
4. Шелудяк, Ю. Е. Теплофизические свойства компонентов горючих систем.: Справочник / Ю. Е. Шелудяк [и др.]. - М.: 1992. -500 с.
5. Абдуллин, И. А. Автоматизированная установка для определения температуры горения пиротехнических составов / И. А. Абдуллин [и др.] // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2006. -№6, Ч. 2. -- С. 164-168.
6. 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 ЮТУ; О. И. Белобородова - канд. техн. наук, доц. той же кафедры; И. А. Абдуллин - д-р техн. наук, проф. каф. химии и технологии гетерогенных систем КГТУ, проректор КГТУ, ilnur@cnit.ksu.ras.ru; С . А. Арутюнян - асп. той же кафедры
