ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СОС СОСТАВОВ ДЛЯ ГАЗОГЕНЕРАТОРОВ ПРОМЫШЛЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ
|
Аннотация
Введение 8
1 Газогенерирующие композиции 11
1.1 Свойства компонентов газогенерирующих композиций 12
1.2 Расчет эквивалентных формул. Расчет компонентных составов при заданном
коэффициенте избытка окислителя 14
1.3 Термодинамический расчет газогенерирующих композиций 17
1.3.1 Общее описание программных комплексов ASTRA, TERRA 18
1.3.2 Результаты расчета 20
1.3.3 Анализ полученных результатов 22
2 Исследование термитных материалов 30
2.1 Теоретическое исследование термитных материалов 30
2.2 Анализ экспериментального исследования термитных составов 32
2.3 Теплофизические свойства компонентов термитных состав 33
2.3.1 Свойства компонентов железоалюминиевой термитной смеси 34
2.3.2 Свойства компонентов титано-алюминиевой термитной смеси 35
2.3.3 Свойства компонентов термита на основе иодата кальция 36
2.4 Расчет изобарно-изотермического потенциала по закону Гесса 38
2.5 Термодинамическое исследование железоалюминиевой и титано-алюминиевой
термитных смесей 43
2.6 Термодинамический анализ термита на основе иодата кальция с добавками
алюминия и бора 46
3 Исследование композиционных топливных элементов для сварки изделий 51
3.1 История развития алюминотермии 52
3.2 Классификация составов для сварки изделий 52
3.3 Способы термитной сварки 55
3.4 Выбор компонентной базы металлотермических композиций 57
3.5 Методики расчета 57
3.5.1 Тепловой баланс термитных реакций 58
3.5.2 Расчет коэффициента избытка окислителя 59
3.5.3 Термодинамический расчет композиций 60
3.6 Результаты расчетов и их анализ 63
Заключение 66
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 68 ПРИЛОЖЕНИЕ A Термодинамический расчет композиции, содержащей NH4NO3 - 80 %,
СКДМ-80 - 20 % при a=0,7, P=1 МПа 73
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Термодинамический расчет композиции, содержащей Бс20з - 22,5%;
Al - 7,5%; Fe - 70% 82
ПРИЛОЖЕНИЕ В Термодинамический расчет смесевой композиции:
2Al + 3FeO = Al2O3 + 3Fe (a =0,5)
Введение 8
1 Газогенерирующие композиции 11
1.1 Свойства компонентов газогенерирующих композиций 12
1.2 Расчет эквивалентных формул. Расчет компонентных составов при заданном
коэффициенте избытка окислителя 14
1.3 Термодинамический расчет газогенерирующих композиций 17
1.3.1 Общее описание программных комплексов ASTRA, TERRA 18
1.3.2 Результаты расчета 20
1.3.3 Анализ полученных результатов 22
2 Исследование термитных материалов 30
2.1 Теоретическое исследование термитных материалов 30
2.2 Анализ экспериментального исследования термитных составов 32
2.3 Теплофизические свойства компонентов термитных состав 33
2.3.1 Свойства компонентов железоалюминиевой термитной смеси 34
2.3.2 Свойства компонентов титано-алюминиевой термитной смеси 35
2.3.3 Свойства компонентов термита на основе иодата кальция 36
2.4 Расчет изобарно-изотермического потенциала по закону Гесса 38
2.5 Термодинамическое исследование железоалюминиевой и титано-алюминиевой
термитных смесей 43
2.6 Термодинамический анализ термита на основе иодата кальция с добавками
алюминия и бора 46
3 Исследование композиционных топливных элементов для сварки изделий 51
3.1 История развития алюминотермии 52
3.2 Классификация составов для сварки изделий 52
3.3 Способы термитной сварки 55
3.4 Выбор компонентной базы металлотермических композиций 57
3.5 Методики расчета 57
3.5.1 Тепловой баланс термитных реакций 58
3.5.2 Расчет коэффициента избытка окислителя 59
3.5.3 Термодинамический расчет композиций 60
3.6 Результаты расчетов и их анализ 63
Заключение 66
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 68 ПРИЛОЖЕНИЕ A Термодинамический расчет композиции, содержащей NH4NO3 - 80 %,
СКДМ-80 - 20 % при a=0,7, P=1 МПа 73
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Термодинамический расчет композиции, содержащей Бс20з - 22,5%;
Al - 7,5%; Fe - 70% 82
ПРИЛОЖЕНИЕ В Термодинамический расчет смесевой композиции:
2Al + 3FeO = Al2O3 + 3Fe (a =0,5)
Высокоэнергетические материалы (ВЭМ) находят широкое применение в качестве топлива для газогенераторов различного назначения. ВЭМ применяются в ракетнокосмической технике и авиации; в устройствах аварийно-спасательной системы; в устройствах пожаротушения; сверхзвуковой резке металла, бетона; в устройствах сверхзвукового напыления; защитных и восстанавливающих покрытий; в системах газотермического воздействия на призабойную зону нефтесодержащих пластов с целью повышения нефтеотдачи и в ряде других задач. Актуальность исследования энергетических систем для газогенераторов промышленного назначения подтверждается в работах [1-11].
ВЭМ содержит основные компоненты: - окислитель, - горючее связующее, - металлическое горючее, - технологические добавки.
К таким ВЭМ относятся газогенерирующие композиции, термитные материалы, композиционные топливные элементы для сварки изделий, исследование которых приведено в данной магистерской диссертации.
Данная тема исследования является достаточно разработанной к настоящему моменту времени, но многие ее аспекты нуждаются в дальнейшем исследовании. К примеру, анализ литературы, в которой приводится информация о температуре горения термитных смесей, показывает, что разными авторами приводятся различные значения адиабатических температур горения этих смесей, причём диапазон температур достаточно широкий. В данной магистерской диссертации вопрос о температуре термитной реакции освещен, и возможно, его дальнейшее исследование позволит найти решения конкретных прикладных задач и усовершенствовать процессы, основанные на термитной реакции.
Цель магистерской диссертации состоит в изучении энергетических параметров газогенерирующих композиций, термитных материалов и композиционных топливных элементов для сварки изделий.
Объектами исследования являются:
1) газогенерирующие составы, содержащие нитрат аммония, нитрат калия, инертный каучук;
2) термитные составы, содержащие железоалюминиевый термит, титано- алюминиевый термит с участием никеля, термит на основе иодата кальция с добавками алюминия и бора;
3) композиционные топливные элементы для сварки изделий, содержащие хромово-алюминиевый и хромово-магниевый термиты.
Исследование энергетических характеристик проведено по следующим методикам: расчет компонентного состава смесевых композиций, расчет теплового баланса термитных реакций, расчет коэффициента избытка окислителя, расчет изобарноизотермического потенциала окислительно-восстановительных реакций и реакции замещения, термодинамический расчет.
На основании расчета компонентного состава смесевых композиций получено процентное содержание металлотермических композиций.
На основании расчета теплового баланса термитных реакций получено, что при сгорании 1 кг железоалюминиевого термита выделяется 601 ккал тепла. При сгорании 1 кг хромово-алюминиевого термита выделяется 442 ккал тепла. А при сгорании 1 кг хромово-магниевого термита выделяется 696 ккал тепла.
Проведен расчет коэффициента избытка окислителя. Выявлено, что коэффициент избытка окислителя для железоалюминиевой, хромово-алюминиевой и хромово- магниевой металлотермических систем равны 0,5; 0,5 и 0,6, соответственно.
Результаты расчета изобарно-изотермического потенциала показали, что исследованные металлотермические реакции термодинамически устойчивы и протекают самостоятельно в исследуемом интервале температур.
В результате термодинамического расчета получены значения энергетических характеристик композиционных топливных элементов, применяемых как для сварки изделий, так и для задач машиностроения, а также термодинамические и теплофизические свойства их продуктов сгорания.
В ходе данной работы были выбраны термитные реакции на основании лучших свойств и преимуществ, которые описаны в литературных данных (а именно, достаточно низкая стоимость основных металлотермических композиций, низкая трудоемкость сварки изделий; высокие пластические свойства и ударная вязкость металлов с высокой термостойкостью, твердостью и износостойкостью, пожаровзрывобезопасностью и т.д.).
На основе изученного материала были описаны способы термитной сварки, преимущества и недостатки одного вида сварки в зависимости от другого.
Результаты расчетов по указанным выше методикам позволяют установить, что хромово-алюминиевый и хромово-магниевый термиты в значительной степени ничем не уступают железоалюминиевому термиту, чаще всего применяемому на практике.
Произведено термодинамическое исследование для широко используемых термитных смесей (железоалюминиевая, титано-алюминиевая). Анализ результатов термодинамического расчета для этих смесей показал, что железоалюминиевый термит содержит больше как конденсированной, так и газовой фазы в отличие от титаноалюминиевого термита. Анализ термодинамических расчетов позволил установить, что конденсированные продукты сгорания при увеличении адиабатической температуры (от 2600 К до 4000 К) переходят в новое агрегатное состояние (газовое).
Кроме широко используемых термитных смесей были исследованы термиты на основе иодата кальция с добавками алюминия и бора. Анализ данной смесевой композиции в рамках соотношения газовой и конденсированной фазы показал, что частичная замена алюминия на бор может привести к уменьшению конденсированного оксида алюминия.
Изучены свойства компонентов газогенерирующих композиций. Дана рекомендация по использованию смесевой композиции в устройствах аварийноспасательных систем.
Научно-практическая значимость исследования: материал, представленный в диссертации, может быть полезен при проведении экспериментальных исследований.
Объем и структура диссертации состоит из введения, трех глав, пятнадцати параграфов, тридцати одной таблицы, шестнадцати рисунков, заключения, списка используемой литературы и приложений.
ВЭМ содержит основные компоненты: - окислитель, - горючее связующее, - металлическое горючее, - технологические добавки.
К таким ВЭМ относятся газогенерирующие композиции, термитные материалы, композиционные топливные элементы для сварки изделий, исследование которых приведено в данной магистерской диссертации.
Данная тема исследования является достаточно разработанной к настоящему моменту времени, но многие ее аспекты нуждаются в дальнейшем исследовании. К примеру, анализ литературы, в которой приводится информация о температуре горения термитных смесей, показывает, что разными авторами приводятся различные значения адиабатических температур горения этих смесей, причём диапазон температур достаточно широкий. В данной магистерской диссертации вопрос о температуре термитной реакции освещен, и возможно, его дальнейшее исследование позволит найти решения конкретных прикладных задач и усовершенствовать процессы, основанные на термитной реакции.
Цель магистерской диссертации состоит в изучении энергетических параметров газогенерирующих композиций, термитных материалов и композиционных топливных элементов для сварки изделий.
Объектами исследования являются:
1) газогенерирующие составы, содержащие нитрат аммония, нитрат калия, инертный каучук;
2) термитные составы, содержащие железоалюминиевый термит, титано- алюминиевый термит с участием никеля, термит на основе иодата кальция с добавками алюминия и бора;
3) композиционные топливные элементы для сварки изделий, содержащие хромово-алюминиевый и хромово-магниевый термиты.
Исследование энергетических характеристик проведено по следующим методикам: расчет компонентного состава смесевых композиций, расчет теплового баланса термитных реакций, расчет коэффициента избытка окислителя, расчет изобарноизотермического потенциала окислительно-восстановительных реакций и реакции замещения, термодинамический расчет.
На основании расчета компонентного состава смесевых композиций получено процентное содержание металлотермических композиций.
На основании расчета теплового баланса термитных реакций получено, что при сгорании 1 кг железоалюминиевого термита выделяется 601 ккал тепла. При сгорании 1 кг хромово-алюминиевого термита выделяется 442 ккал тепла. А при сгорании 1 кг хромово-магниевого термита выделяется 696 ккал тепла.
Проведен расчет коэффициента избытка окислителя. Выявлено, что коэффициент избытка окислителя для железоалюминиевой, хромово-алюминиевой и хромово- магниевой металлотермических систем равны 0,5; 0,5 и 0,6, соответственно.
Результаты расчета изобарно-изотермического потенциала показали, что исследованные металлотермические реакции термодинамически устойчивы и протекают самостоятельно в исследуемом интервале температур.
В результате термодинамического расчета получены значения энергетических характеристик композиционных топливных элементов, применяемых как для сварки изделий, так и для задач машиностроения, а также термодинамические и теплофизические свойства их продуктов сгорания.
В ходе данной работы были выбраны термитные реакции на основании лучших свойств и преимуществ, которые описаны в литературных данных (а именно, достаточно низкая стоимость основных металлотермических композиций, низкая трудоемкость сварки изделий; высокие пластические свойства и ударная вязкость металлов с высокой термостойкостью, твердостью и износостойкостью, пожаровзрывобезопасностью и т.д.).
На основе изученного материала были описаны способы термитной сварки, преимущества и недостатки одного вида сварки в зависимости от другого.
Результаты расчетов по указанным выше методикам позволяют установить, что хромово-алюминиевый и хромово-магниевый термиты в значительной степени ничем не уступают железоалюминиевому термиту, чаще всего применяемому на практике.
Произведено термодинамическое исследование для широко используемых термитных смесей (железоалюминиевая, титано-алюминиевая). Анализ результатов термодинамического расчета для этих смесей показал, что железоалюминиевый термит содержит больше как конденсированной, так и газовой фазы в отличие от титаноалюминиевого термита. Анализ термодинамических расчетов позволил установить, что конденсированные продукты сгорания при увеличении адиабатической температуры (от 2600 К до 4000 К) переходят в новое агрегатное состояние (газовое).
Кроме широко используемых термитных смесей были исследованы термиты на основе иодата кальция с добавками алюминия и бора. Анализ данной смесевой композиции в рамках соотношения газовой и конденсированной фазы показал, что частичная замена алюминия на бор может привести к уменьшению конденсированного оксида алюминия.
Изучены свойства компонентов газогенерирующих композиций. Дана рекомендация по использованию смесевой композиции в устройствах аварийноспасательных систем.
Научно-практическая значимость исследования: материал, представленный в диссертации, может быть полезен при проведении экспериментальных исследований.
Объем и структура диссертации состоит из введения, трех глав, пятнадцати параграфов, тридцати одной таблицы, шестнадцати рисунков, заключения, списка используемой литературы и приложений.
Газогенерирующие композиции.
Исследование смесевых композиций, содержащих нитрат аммония (NH4NO3), нитрат калия (KNO3) и инертный каучук (СКДМ-80) при а =0,5; 0,7 показало, что увеличение давления в камере сгорания приводит к повышению значений адиабатической температуры, удельного импульса и скорости истечения продуктов сгорания.
При увеличении давления в двигателе (1 ^ 4 МПа) наблюдается снижение содержания CO, H2, N2 . Содержание воды увеличивается.
Введение добавки независимо от давления в двигателе привело к снижению адиабатической температуры, удельного импульса и скорости истечения продуктов сгорания.
Введение добавки KNO3 увеличивает в продуктах сгорания содержание оксида углерода при одновременном снижении содержания воды. Данная зависимость сохраняется для рассмотренных давлений в двигателе.
Анализ термодинамических расчетов показал возможность получения низкотемпературного состава с возможностью повышения газообразных продуктов сгорания при введении добавки KNO3 .
Термитные материалы.
Термодинамическое исследование железоалюминиевого термита показало, что при увеличении адиабатической температуры наблюдается рост газообразных продуктов сгорания (Fe, AI2O3) при одновременном снижении конденсированных продуктов сгорания (k Fe, k AI2O3). Подобная тенденция наблюдается и для продуктов сгорания, как газообразных, так и конденсированных, титано-алюминиевого термита ( TiO 2, AI2O3 ).
Термодинамический расчет иодата кальция с добавкой бора показывает отсутствие конденсированной фазы в продуктах сгорания. Расчет иодата кальция с алюминием показывает наличие k AI2O3 в продуктах сгорания, причем, увеличение содержания алюминия в исследуемой системе приводит к увеличению содержания k AI2O3 в продуктах сгорания.
Исследование композиционных топливных элементов для сварки изделий.
Термодинамический расчет позволил установить, что для железоалюминиевого термита характерны большие значения адиабатической температуры и температуры в выходном сечение сопла в отличие от хромово-алюминиевого термита и хромово- магниевого термита.
Хромово-алюминиевый термит обладает более высокой скоростью истечения продуктов сгорания, чем хромово-магниевый и железоалюминиевый термиты.
В результате расчета теплового баланса термитных реакций получено, что хромово- магниевый термит выделяет большее количество тепла по отношению к другим исследуемым термитам.
Исследование смесевых композиций, содержащих нитрат аммония (NH4NO3), нитрат калия (KNO3) и инертный каучук (СКДМ-80) при а =0,5; 0,7 показало, что увеличение давления в камере сгорания приводит к повышению значений адиабатической температуры, удельного импульса и скорости истечения продуктов сгорания.
При увеличении давления в двигателе (1 ^ 4 МПа) наблюдается снижение содержания CO, H2, N2 . Содержание воды увеличивается.
Введение добавки независимо от давления в двигателе привело к снижению адиабатической температуры, удельного импульса и скорости истечения продуктов сгорания.
Введение добавки KNO3 увеличивает в продуктах сгорания содержание оксида углерода при одновременном снижении содержания воды. Данная зависимость сохраняется для рассмотренных давлений в двигателе.
Анализ термодинамических расчетов показал возможность получения низкотемпературного состава с возможностью повышения газообразных продуктов сгорания при введении добавки KNO3 .
Термитные материалы.
Термодинамическое исследование железоалюминиевого термита показало, что при увеличении адиабатической температуры наблюдается рост газообразных продуктов сгорания (Fe, AI2O3) при одновременном снижении конденсированных продуктов сгорания (k Fe, k AI2O3). Подобная тенденция наблюдается и для продуктов сгорания, как газообразных, так и конденсированных, титано-алюминиевого термита ( TiO 2, AI2O3 ).
Термодинамический расчет иодата кальция с добавкой бора показывает отсутствие конденсированной фазы в продуктах сгорания. Расчет иодата кальция с алюминием показывает наличие k AI2O3 в продуктах сгорания, причем, увеличение содержания алюминия в исследуемой системе приводит к увеличению содержания k AI2O3 в продуктах сгорания.
Исследование композиционных топливных элементов для сварки изделий.
Термодинамический расчет позволил установить, что для железоалюминиевого термита характерны большие значения адиабатической температуры и температуры в выходном сечение сопла в отличие от хромово-алюминиевого термита и хромово- магниевого термита.
Хромово-алюминиевый термит обладает более высокой скоростью истечения продуктов сгорания, чем хромово-магниевый и железоалюминиевый термиты.
В результате расчета теплового баланса термитных реакций получено, что хромово- магниевый термит выделяет большее количество тепла по отношению к другим исследуемым термитам.
