CC BY
36
УДК 662.352:662.311.11
Глушко А.Н., Сизов В.А., Денисюк А.П.
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ГОРЕНИЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОРОХОВ
Глушко Алексей Николаевич, студент пятого курса кафедры химии и технологии высокомолекулярных соединений, e-mail: 167311@gmail.com;
Сизов Владимир Александрович, к.т.н., ассистент кафедры химии и технологии высокомолекулярных соединений; 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
Исследовано влияние полипропилена (ПП) и поливинилового спирта (ПВС) на температуру и скорость горения двух порохов с температурой горения 2086 и 1800 К. Показано, что даже при небольшом количестве указанных добавок (5-10%) температура над поверхностью горения превышает на ~ 100 - 230 К температуру базовых порохов, которая затем снижается за счет протекания эндотермической реакции углерода с СО2 и Н2О, до температуры на 100 - 150 К выше расчетной. Указанные добавки почти не изменяют скорость горения базовых образцов.
Ключевые слова: баллиститный порох, охлаждающие добавки, температура горения.
COMBUSTION PATTERNS OF LOW-TEMPERATURE DOUBLE-BASE PROPELLANTS
Glushko A.N., Sizov V.A., Denisyuk A.P.
Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The effect of polypropelene and polyvinyl alcohol on the temperature and burning rate of two propellants with a combustion temperature of 2086 and 1800 K was studied. It was shown that even with a small amount of these additives (5-10%) the temperature above the combustion surface exceeds the temperature of the base propellant by ~ 100 - 230 K, which then decreases due to the endothermic reaction of carbon with СО2 and Н2О, to a temperature of 100 - 150 K higher than the calculated one. These additives almost do not change the burning rate.
Key words: double-base propellant, cooling additives, combustion temperature.
Низкокалорийные (низкотемпературные) пороха, имеющие калорийность (0ж) 2700-3300 кДж/кг, используются для зарядов к орудиям больших калибров, для снижения разгара (эрозии) внутренней поверхности ствола, которая находится в прямой зависимости от температуры и давления выстрела, а также в газогенераторах для создания рабочего тела для различных целей: например, для минометного старта ракеты, при котором она выбрасывается из пусковой установки за счет давления, создаваемого в замкнутом объеме пороховым аккумулятором давления (ПАД), расположенным вне ракеты, а также для вытеснения пожаротушащих составов и др. К заряду ПАД предъявляется ограничение по температуре горения, которая для различных систем составляет 1300 - 1700 К. Кроме того, имеется необходимость регулирования скорости горения топлив, используемых в ПАД.
Одним из путей снижения температуры горения порохов является введения в их состав «охлаждающих» добавок, например, дополнительных пластификаторов (динитротолуола (ДНТ), дибутилфталата (ДБФ)) или твердых органических
порошков. На разложение указанных компонентов требуются затраты тепла, что снижает температуру и скорость горения, при этом часто требуется вводить эти компоненты в повышенном (до 20 - 25%) количестве [1, 4, 5]. Это может приводить к неполноте горения, в том числе, к образованию сажи в продуктах горения, ухудшению технологических и механических свойств порохов.
Целью настоящей работы является найти возможности устранения указанных недостатков. Для этого при компоновке базового состава использовали низкокалорийные пластификаторы без
дополнительных охлаждающих пластификаторов (ДНТ, ДБФ), что позволяет значительно уменьшить количество порошкообразных органических добавок в составе топлива и снизить возможности образования сажи в продуктах горения. В качестве таких пластификаторов выбран динитрат триэтиленгликоля (ДНТЭГ) или его смесь с динитратом диэтиленгликоля (ДНДЭГ). С учетом получения порохов, которые удовлетворяли бы требованиям по механическим и технологическим характеристикам, были предложены два базовых образца пороха.
Таблица 1 - Состав базовых порохов
Порох Компоненты, % Трасч, К при 4 МПа
Коллоксилин ДНДЭГ ДНТЭГ Централит №2 Инд. масло
1 59 11,7 27,3 1 1 2086
2 59 - 39 1 1 1800
Для снижения температуры горения в состав порохов сверх 100% вводились различные охлаждающие добавки: полипропилен (ПП) и поливиниловый спирт (ПВС), дибутилфталат (ДБФ). Для проведения эксперимента по определению реальной температуры горения брали образцы, содержащие не более 10% охлаждающих добавок.
Скорость горения определяли в приборе постоянного давления в среде азота. Эффективность действия добавок оценивалась величиной Z = идоб/и0, где идоб - скорость горения пороха с добавкой, U0 - скорость горения состава без добавок (табл. 2). Термодинамические расчеты температуры горения проводились в программе "REAL" [2].
Таблица 2 -Характеристики исследованных образцов
Добавка Трасч, К при 4 МПа AT (Zt) Закон скорости горения U=Bpv U4, Z4
й B v (Др 2-15 МПа) мм/с
Без добавок 2086 - 1,17 0,83 3,7 -
Н 5,5% ПП 1590 496 (~0,7) 1,03 0,84 3,3 0,9
О О 10% ПВС 1584 502 (~0,7) 0,94 0,91 3,3 0,9
15 %ПВС 1325 795 (~0,6) - - - -
Без добавок 1800 - 0,91 0,81 2,8 -
(N £ $ Н О 2,6% ПП 1590 206 (~0,9) 0,91 0,79 2,7 ~1
4,5% ПВС 1580 220 (~0,9) 0,95 0,8 2,9 1
10% ПВС 1542 258 (~0,8) - - - -
о с; 3,5% ДБФ 1635 165 (0,9) 0,86 0,8 2,6 0,9
3,5%ДБФ + 1,3% СН 1605 195 (~0,9) 1,5 0,7 4,0 ~1,5
Из таблицы 2 видно, что ПП является более эффективной добавкой, чем ПВС. Так, для снижения температуры состава №1 ~ на 500 К достаточно 5,5% ПП, а ПВС - 10%. Аналогичные результаты получены и для состава №2, ПП снижает температуру ~ на 200 К в количестве 2,6%, а ПВС - в количестве 4,5%. С помощью ПВС значительно снизить температуру (до 1325 К) можно только при его повышенном (15%) количестве. 3,5% ДБФ с 1,3% катализатора снижают температуру ~ на 200 К, а ПП в количестве 2,6%, таким образом, наибольшей способностью снижать температуру горения обладает ПП. Отметим также, что ввод небольшого кол-ва добавок очень слабо влияет на скорость
Т, К
2000-
-----
- 'Л
(
1 \
JJ Т с
горения, которая изменяется ~ на 10%. Состав, содержащий ДБФ, хорошо катализируется, и при небольшом количестве катализатора скорость возрастает в 1,5 раза
Измерение температуры горения проводилось с помощью толстых (толщина термопары (8т-р) ~ 25 мкм) вольфрам--рениевых термопар (рис. 1-2). При выбранном давлении проводилось до 5 параллельных опытов для каждого образца. Особенностью профиля температуры в волне горения данных порохов является то, что на небольшом (0,8 - 1,0 мм) расстоянии от поверхности горения температура значительно превышает расчетное значение.
\
""Л \
\ 1
Т с
0,0 0,5 1,0 1,5
Рисунок 1 - Температура горения состава №1 при давлении 4 МПа: 1 — без добавок; 2 — с 10%ПВС (8т-р ~ 25 мкм) Так, для образцов №1 (рис. 1) превышение составляет 200-250 К, для образца №2 (рис. 2) экспериментальная температура превышает расчетную на 80-100 К (табл. 3), достигая пика на расстоянии 1,5 - 2,0 мм, после чего температура падает и выходит на плато, стремясь к термодинамической. Характер температурной кривой для катализированного состава сопоставим с катализированными низкокалорийными составами в работе [6].
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
Рисунок 2 - Температура горения состава №2 при давлении 4 МПа: 1 — без добавок; 2 —3,5%ДБФ + 1,3% СН; 3 — 2,6%ПП; (8т-р ~ 25 мкм) Превышение экспериментальной температуры над расчетной связано с наличием в продуктах горения порохов достаточно большого количества сажи, образовавшейся при разложении охлаждающих добавок в газовой зоне, которая не успела эндотермически прореагировать с СО2 и Н2О, получившимися при сгорании НЦ, ДНДЭГ и ДНТЭГ (стоит отметить, что в их продуктах горения сажа отсутствует):
С + СО2 ^ 2СО, АН = 171,8 кДж/моль; С + Н2О ^ СО + Н2, АН = 129,9 кДж/моль.
1600
1600
1200
1200
800
800
400
400
Таблица 3 - Средние значения температуры горения при давлении 4 МПа
Состав №1 Добавка Трасч, К Тmax, К Tэксп, К AT = Т - Т ^А А эксп А расч
без добавок 2086 2086 2086 0
5,5% ПП 1590 1820 1740 150
10% ПВС 1584 1784 1700 116
Состав №2 без добавок 1800 1800 1720 -80
2,6% ПП 1590 1700 1670 80
4,5% ПВС 1580 1615 1600 20
3,5% ДБФ 1635 1661 1646 11
3,5% ДБФ + 1,3% СН 1605 1697 1590 -15
Из таблицы 3 следует, что для базового состава №1 экспериментальная температура не отличается от расчетной. Напротив, для образцов пороха №1 с охлаждающими добавками температура
непосредственно в газовой зоне над поверхностью горения превышает расчетную на 230 К (для образца с ПП) и на 200 К (для образца с ПВС), после этого реакционная температура несколько снижается в результате прохождения эндотермической реакции углерода с СО2 и Н2О, но не достигает термодинамического значения (отличие на 150 и 116 К). Для базового пороха №2 экспериментальная температура меньше расчетной на 80 К, а для образцов с добавками Ттах превышает расчетную температуру в меньшей степени (на 30-100 К), чем
для образца №1. Конечная температура продуктов горения почти не отличается от расчетной (кроме образца с ПП).
Измерение профиля температуры в волне горения образцов состава №2 с ДБФ и с катализатором проводили по методике [3] с помощью тонких (3-5 мкм) вольфрам--рениевых термопар. В таблице 4 отмечали характерные температуры и ширину различных зон: 11 - ширина прогретого слоя к-фазы, на которой разогрев падает в е раз; Тд и 1д - температура в пародымогазовой зоне и ее протяженность; ф - градиент температуры; Ттах - максимальная температура в газовой зоне; 1тах -расстояние от Тп до Ттах.
Таблица 4 - Параметры волны горения состава №2 при 4 МПа (ST_D ~ 3-5 мкм)
Добавка U, мм/с Т* Тп, к Ф1-10"4, K/см Т Т х max ж*103 см2/с
K li, мм к 1д, мм к lmax, мм
3,5% ДБФ 2,6 420 0,093 635 2,30 1123 0,207 1665 3,08 1,9
3,5% ДБФ + 1,3% СН 4,0 422 0,053 645 6,26 1245 0,098 1650 0,93 1,4
Введение катализатора практически не влияет на Тп. При этом ~ в 3 раза возрастает температурный градиент. Толщина прогретого слоя катализированного состава уменьшается ~ в 2 раза. Температура пародымогазовой зоны для состава с катализатором и без него различаются (~ на 120 К). Ширина пародымогазовой зоны для образца с катализатором в 2 раза меньше чем для образца без него, а термодинамическая температура горения достигается ~ в 3 раза быстрее (на более коротком расстоянии от поверхности).
На основании полученных результатов можно заключить, что лучшим из исследованных составов является образец, не содержащий порошкообразные наполнители, который имеет наименьшую температуру горения, равную расчетной.
Список литературы
1. Е Зо Тве, Денисюк А.П., Особенности профиля температуры в волне горения низкокалорийных порохов // Физика горения и взрыва. 2011. Т. 41. № 2. - С. 66-73.
2. Белов Г.В., Программный комплекс "REAL" для моделирования равновесных состояний термодинамических систем при повышенных значениях температуры и давления. Версия 3.5
- М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2003.
3. Зенин А.А., Процессы в зонах горения баллиститных порохов // Физические процессы при горении и взрыве, — М.: Атомиздат. 1980 — С. 68-105.
4. Сизов В.А., Е Зо Тве, Денисюк А.П., Горение порохов на основе динитрата диэтиленгликоля // Успехи в химии и химической технологии. 2013. Т. 27. № 3 (143). - С. 14-20.
5. Е Зо Тве, Денисюк А.П. Механизм горения порохов на основе динитрата диэтиленгликоля // Вестник казанского технологического университета. 2013. Т. 16. №22. - С 92-97.
6. Зар Ни Аунг, Денисюк А.П., Сизов В.А., Крутилин А.В., Влияние катализаторов на экспериментальную температуру горения низкокалорийного пороха // Успехи в химии и химической технологии. 2018. Т. 32. №10 (206).
- С. 112-114.
