CC BY
14
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2008 р. Вип. № 18
УДК 662.613.12:669.046.44(024.2)
Кириченко О.В.1, Акиньшин В.Д.2, Кришталь H.A.3, Заика П.И.4, Ващенко В.А.5
ЗАВИСИМОСТИ СКОРОСТИ ГОРЕНИЯ ПИРОТЕХНИЧЕСКИХ НИТРАТНЫХ СИСТЕМ ОТ СООТНОШЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ, НАХОЖДЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИОННЫХ ПРЕДЕЛОВ ГОРЕНИЯ В УСЛОВИЯХ ПОВЫШЕННЫХ СКОРОСТЕЙ ОБДУВА ПОТОКОМ ВОЗДУХА
Исследовано влияние коэффициента избытка окислителя (а = 0,3... 1,6) и дисперсности компонентов (dM = 74,5... 305 мкм, dдг = 50... 220 мкм) на скорость и концентрационные пределы горения ПНС в условиях повышенных скоростей обдува потоком воздуха (V = 0... 1,5-103 м/с), позволяющее сформировать базу данных по их пожароопасным свойствам в условиях эксплуатации пиротехнических изделий на их основе.
Специфические условия эксплуатации пиротехнических изделий (например, встречный сверхзвуковой обдув потоком воздуха [1 - 6, 9, 10, 12 - 15]) предъявляют повышенные требования к пожаровзрывобезопасности пиротехнических нитратных систем (ПНС - двойные уплотненные смеси из порошков магния с нитратами калия, стронция и бария), которыми снаряжаются изделия. Это обусловлено тем, что в указанных условиях в результате самоускорения процесса горения образцов ПНС и перехода его во взрыв происходит разрушение изделий и разбрасывание продуктов сгорания вместе с высокотемпературными осколками металлических корпусов. При этом, если методические рекомендации по обеспечению пожарной безопасности различных пиротехнических изделий в условиях изготовления, хранения и транспортировки в настоящее время имеются и продолжают совершенствоваться [1, 5-8, 11, 12], то методики и рекомендации по обеспечению пожарной безопасности изделий, в том числе и на основе ПНС, в указанных условиях эксплуатации на данный момент отсутствуют. Важным обстоятельством, сдерживающим разработку этих рекомендаций, является отсутствие базы данных по скорости и концентрационным пределам горения ПНС в условиях сверхзвукового обдува потоком воздуха. Поэтому целью данной работы является получение экспериментальных данных о влиянии технологических факторов (коэффициента избытка окислителя, среднего размера частиц порошка металлического горючего и окислителя, природы окислителя) на зависимости скорости и концентрационных пределов горения ПНС от скорости обдува потоком воздуха, а также формирование базы данных по их пожароопасным свойствам в этих условиях.
Образцы ПНС изготавливались по технологии, используемой в пиротехническом производстве и имели такие технологические параметры [1, 3 - 6, 12]: коэффициент уплотнения Ку = 0,96...0,98; коэффициент избытка окислителя а = 0,3... 1,6; средний размер частиц металлического горючего dM = 74,5...305 мкм и окислителя с/у = 50...220 мкм; оболочки металлические диаметром d = 2-10~2 м и толщиной h = 8-10~4 м. При этом скорость и концентрационные пределы горения находили с помощью известных методов, применяемых при исследовании пределов горения металлизированных конденсированных систем [1, 5, 6, 12]. Испытания образцов ПНС в условиях обдува потоком воздуха проводили на следующем стандартном пиротехническом оборудовании [5, 6, 10].
1ЧАПБ, препод.
2ГУП Мое НПО, д-р техн. наук, проф.
3ЧАПБ, канд. психолог, наук, доц.
4ЧАПБ, канд. техн. наук, доц.
5ЧГТУ, д-р техн. наук, проф.
Рис. 1 - Общий вид лабораторно-испытатель-ной установки, моделирующей сверхзвуковой встречный обдув потоком воздуха пиротехнических
Для нахождения скорости и пределов горения ПНС в условиях встречного сверхзвукового обдува потоком воздуха использовалась лабораторно-испытательная установка, которая позволяет получать скорости обдува потоком воздуха до V = 1,5-103 м/с за счет использования сменных сопел диаметром £)=30...60 мм и предварительного нагрева воздуха с целью снижения теплопотерь при течении по соплу. Общий вид установки представлен на рис. 1. Схема установки приведена на рис. 2. Установка состоит из камеры 1 со сменными соплами 2, смонтированной на массивной станине. В металлической державке 4 перед срезом сопла помещается исследуемый
образец 3; при этом державка с образцом может перемещаться относительно среза сопла посредством специально разработанной гидравлической системы. Нагрев воздуха в камере происходит при смешивании холодного воздуха с горячими газами, которые генерируются в теплогенераторе 5. Из баллона горючее (бензин) подается через форсунки в камеру теплогенератора. Туда же подается воздух (окислитель). Эти компоненты подаются через отсечные краны, управляемые электропневмоклапанами. Оптимальные расстояния от образцов до среза сопла определялись путем шлирен-фотографических исследований на теневом приборе ИАБ-451 [5, 6] структуры газового потока при сверхзвуковом режиме обтекания. Для обеспечения высокой производительности испытаний был использован специальный пульт автоматического управления установкой по заданной программе. Последовательность включения и выключения элементов автоматически обеспечивалась встроенными в схему реле времени в количестве 10 штук, в качестве реле времени использовались электромеханические реле типа ЭМРВ-27Б. Погрешность определения скорости горения образцов ПНС составляет 5...8%.
ж манометру
О 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 «
б)
Рис. 3 - Влияние скорости обдува потоком воздуха и природы окислителя на зависимости скорости горения ПНС от соотношения компонентов (с1м = 74,5 мкм, ¿/дг = 220 мкм, То = 293 К, Р = Ю5 Па): а) система Мё + КЖ>3; б) система М§ + 8г(1Ч03)2; в) система Мё + Ва(Ж>3)2; 1 - V = 1,2-103 м/с; 2 - V = 4-102 м/с; 3 - V = 0; О, А, • -экспериментальные точки.
а)
б)
в)
Рис. 4 - Зависимости компонентов вектора
от скорости обдува
Гавпгл
а =
а,
= 74,5 мкм,
итах аНПГ потоком воздуха с!ы = 220 мкм, Т0 = 293 К, Р = 105 Па): а) - система + ЮЧ03; б) - система Mg + 8г(1Ч03)2; в) -система + Ва(К03)2;0, А, • -экспериментальные точки.
Результаты проведенных экспериментальных исследований зависимости и(а) для а ВПГ -а -аНПГ и влияния на нее скорости обдува потоком воздуха (V =
0... 1,2-103 м/с) и природы окислителя представлены на рис. 3. Из указанных данных следует, что зависимость и(а) имеет экстремальный характер с координатами
максимума аи и итах . При этом увеличение Удо 1,2-103 м/с практически не влияет
шах
на характер зависимости и(а), а только вызывает увеличение скорости горения ПНС:
например, итах для системы Mg + KNO3 увеличивается в 2,1 раза; для системы Mg +
Sr(N03)2 - в 1,9 раза; для системы Mg + Ва(Ж)з)2 - в 1,8 раза.
Результаты экспериментальных исследований влияния скорости обдува потоком воздуха (V = 0...1,5-103 м/с) на концентрационные пределы горения ПНС представлены на рис. 4. Из
этих данных видно, что с увеличением V происходит уменьшение величин а /j / //-, аи и
шах
а/////■ (например, для системы Mg + KNO3 величина а/j///-уменьшается в 1,2 раза, аи - в
шах
1,15 раза, анПГ~ в 1>07 раза; для системы Mg + Sr(N03)2 величина « /?///■ уменьшается в 1,3
раза, аи - в 1,2 раза, а/////■ - в 1,16 раза; для системы Mg + Ba(N03)2 величина
шах
а/j///-уменьшается в 1,3 раза, аи - в 1,4 раза, «/////■ - в 1,09 раза).
шах
Выводы
1. Получены новые экспериментальные данные по скорости и концентрационным пределам горения ПНС в условиях повышенных скоростей обдува потоком воздуха (V = 0... 1,5-103 м/с) для широкого диапазона изменения коэффициента избытка окислителя (0,09< а < 2,61) и дисперсности компонентов (dM = 74,5...305 мкм, äN= 50...220 мкм).
2. Установлено, что зависимость и (а) при изменении V имеет экстремальный характер:
изменяется от иа„пг = и\ _ до максимального значения итах = и\ _ и далее
ДО ианпг = и\а=ашг (иавпг >ианпг )■ ПРИ этом значение итах уменьшается в 1,3...
2,1 раза при увеличении dM (до 305 мкм) и dN (до 220 мкм), а также возрастает в 1,5...2 раза
при увеличении V (до 1,5-103 м/с). Возрастание V приводит к уменьшению щц' - «м и
шах
аНПГ в 1,5...2 раза.
Перечень ссылок
1. Шидлоеский A.A. Пиротехника в народном хозяйстве / A.A. Шидлоеский, А.И. Сидоров, H.A. Силин. - М.: Машиностроение, 1978. - 231 с.
2. Волков Е.Б. Статика и динамика ракетных двигательных установок / Е.Б. Волков, Т.А. Сырицын, Г.Ю. Мазинг. - М.: Машиностроение, 1978. - 320 с.
3. Силин H.A. Металлические горючие гетерогенных конденсированных систем / H.A. Силин, В.А. Ващенко, Л.Я. Кашпоров. - М.: Машиностроение, 1976. - 320 с.
4. Силин H.A. Окислители гетерогенных конденсированных систем / H.A. Силин, В.А. Ващенко, Л.Я. Кашпоров. - М.: Машиностроение, 1978. - 456 с.
5. Силин H.A. Горение металлизированных гетерогенных конденсированных систем / H.A. Силин, В.А. Ващенко, Л.Я. Кашпоров. - М.: Машиностроение, 1982. - 232 с.
6. Ващенко В.А. Высокотемпературные технологические процессы взаимодействия концентрированных источников энергии с материалами / В.А. Ващенко. - М.: Деп. в ВИНИТИ 07.08.96, № 62 - хп 96. - 408 с.
7. Вогман Л.П. Нормирование пожарной опасности фейерверочных пиротехнических изделий бытового назначения / Л.П. Вогман, О.В. Сотников II Пожаровзрывобезопасность. - 1998. -№2.-С. 3- 11.
8. Вогман Л.П. Требования пожарной безопасности к пиротехническим изделиям бытового назначения/Л.П. Вогман, В.В. ЛепесийIIПожаровзрывобезопасность.- 1998.-№4.-С. 51 -57.
9. Ващенко В.А. Процессы горения металлизированных конденсированных систем в условиях сверхзвуковою обдува потоком воздуха и вращения / В.А. Ващенко, Д.М. Краснов, П.И. Заика // Материалы II Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях. - Санкт-Петербург, Россия, 22 - 26 июня 1998 г. - С. 67-81.
10. Комплекс экспериментальных установок и методик для определения скорости и пределов горения металлизированных конденсированных систем в динамических условиях эксплуатации / В.А. Ващенко, П.И. Заика, ДМ. Краснов, С.И. Сташенко, Ю.И. Кикотъ II Вюник Сумського державного ушверситету,- 2001. -№ 18.-С. 112 - 124.
11. Разработка рекомендаций по обеспечению пожарной безопасности фейерверочных пиротехнических изделий / Л.П. Вогман, В.А. Зуйков, В.Е. Татаров, В.В. Лепесий II Пожаровзрывобезопасность. - 2002. - № 3. - С. 24-41.
12. Зажа П.1. Дослщження пожежно-небезпечних властивостей нпратно-магшевих су\пшсй: автореф. дис. ...канд. техн. наук IП.I. Загка; Укр. НД1ПБ МВС Украши. - Кшв, 2003. - 20 с.
13. Скорость горения нитратных систем в динамических условиях эксплуатации / О.В. Кириченко, В.В. Цыбулин, В.А. Ващенко, П.И. Заика II Матер ¡ал и науково-практично! конференцп "Комплексне використання сировини, енерго- та ресурсозбер1гаюч1 технологи у виробництв1 неоргашчних речовин". - Черкаси, Украша, 27 - 29 травня 2004 року. - С. 75.
14. Пожежонебезпечш властивосп шротехшчних нпратних систем в умовах надзвукового обдуву потоком повпря та вюесиметричного обертання / О.В. Кириченко, П.1. Зажа, В.В. Цибулт, В.А. Ващенко И Вюник ЧДГУ. - 2006. - № 4. - С. 163 - 169.
15. Тепловые процессы при электронной обработке оптических материалов и эксплуатации изделий на их основе / В.А. Ващенко, Д.И. Котельников, Ю.Г. Лега, Д.М. Краснов, ИВ. Яценко, О.В. Кириченко. - К.: Наукова думка, 2006. - 368 с.
Рецензент: Г.С. Столяренко д-р техн. наук, проф., ЧГТУ
Статья поступила 18.01.2008
