Быстрый поиск

Курсовая работа: Влияние дисперсности алюминия и каталитических добавок на характеристики горения систем на основе активного горючего-связующего

Внешний вид и цвет: порошок серого цвета. Точка плавления 640°С. Общий вид порошка изображен на рис. 1. Гистограмма распределения частиц по размерам изображена на рис. 2. Вероятностный (средний арифметический) размер аn = 77 нм; размер, размер средний по поверхности as = 89 нм; средний массовый размер аm = 103 нм. Электронная микроскопия высокого разрешения свидетельствует о наличии многочисленных кристаллических дефектов.

Порошок реагирует с водой при температуре 50°С с выделением водорода. При взаимодействии с открытым пламенем в воздухе воспламеняется. ALEX™(50) энергично взаимодействует в экзотермических реакциях с кислородсодержащими жидкостями, с галогенсодержащими органиками и другими окислителями. При нагревании в атмосфере сухого воздуха до 80 °С не воспламеняется. Воспламеняется при температуре около 300°С.

ALEX™(50) может найти применение в пиротехнике, материаловедении.

Рис. 1. Характерная фотография нанопорошков алюминия

Рис. 2. Гистограмма распределения частиц порошка алюминия по размерам Ось ординат - число частиц, ось абсцисс - размер частиц в нм.

1.3. Свойства каталитических добавок Si, SnC, сажи

Катализаторы горения – добавки, вводимые в состав смесевых твердых топлив с целью увеличения скорости горения. Катализаторы лишь снижают энергетику топлива, и их действие на величину скорости связано с увеличением скорости химической реакций в зоне горения.

В смесевых твердых топливах катализаторы, как правило, увеличивают скорость горения, слабо меняя ее зависимость от давления. Эффективность действия добавок зависит от состава топлив (соотношение компонентов, дисперсности окислителя, природы связующего), температуры заряда и давления, при котором происходит горение.

В данной работе использовались порошкообразные катализаторы. Их эффективность возрастает с увеличением их концентрации в составе топлива до 1-2%, когда скорость горения увеличивается на 30-70%. Дальнейшее повышение содержания добавки слабо отражается на ее влиянии. Это, вероятно, связано с накоплением частиц катализатора на поверхности горения, которое слабо зависит от исходной концентрации добавки в составе при достижении некоторого ее значения [10, стр. 173].

1.4. Свойства окислителей

В качестве окислителей твердых смесевых ракетных топлив применяются твердые вещества, в основном это соли азотной (нитраты) и хлорной (перхлораты) кислот, например, часто используемые перхлорат аммония и нитрат аммония (аммиачная селитра)[6].

Нитрат аммония – один из основных компонент, используемый как окислитель, при изготовлении твердых смесевых топлив. Интерес к использованию нитрата аммония (НА) в перспективных высокоэнергетических топливах обусловлен тем, что он является полностью газифицируемым, производит чистые и бездымные продукты сгорания, является дешевым, доступным и безопасным энергетическим материалом.

Нитрат аммония хорошо растворяется в воде (при 20ºС 179г НА в 100г воды), обладает высокой гигроскопичностью, является слабым взрывчатым веществом с теплотой взрыва 1400 кДж/кг. В чистом виде НА– полиморфное кристаллическое вещество с ºС и плотностью кристаллов ρ=1,725г/

Глава 2. Методики теоретического и экспериментального исследования системы Al - АГСВ - каталитические добавки

В данной главе описаны основные методики, которые использовались в данной работе. А именно:

– методика термодинамического расчета по программе Астра-4;

– методика зажигания нагретой поверхностью;

– методика изготовления образцов;

– изучение горения на открытом воздухе при 1атм;

– математическая обработка экспериментальных данных.

2.1. Методика термодинамического расчета по программе Астра-4

Энергетические характеристики ракетных топлив, а также термодинамические и теплофизические свойства их продуктов сгорания определяются в результате термодинамического расчета. Исходными данными для термодинамического расчета являются элементарный химический состав топлива и энтальпия исходного топлива; дополнительно задаются значения давления в камере сгорания pk. Термодинамические расчеты в настоящее время проводятся на ЭВМ.[1,стр.28]

Комплекс АСТРА-4 предназначен для определения характеристик равновесия, фазового и химического состава произвольных систем.

В качестве термодинамических параметров определяющих условия равновесия исследуемой системы применяются давление, температура, удельный объем, внутренняя энергия, энтропия и энтальпия.

Одной из основных энергетических характеристик топлива является удельный импульс. Выражение для удельного импульса в случае ра=рк можно представить в виде

Iуд=,

где iт, iа- удельные энтальпии твердого топлива и продуктов сгорания в выходном сечении сопла соответственно.

Для сравнения различных твердых топлив по энергетическим характеристикам используются значения удельного импульса, приведенного к давлению при стандартных условиях, за которое для РДТТ обычно принимают давление в камере рк=4МПа, и давление в выходном сечении сопла ра=0,1МПа.

Удельным импульсом ракетного двигателя называется характеристика, равная отношению создаваемого им импульса (количества движения) к расходу топлива.

Величина удельного импульса играет столь важную роль в ракетной технике, что уместно здесь сделать некоторые замечания о ее физическом смысле. Прежде всего, возникает вопрос о том, почему удельный импульс измеряется в единицах времени — секундах (могут применяться и более крупные единицы — минуты, часы). Что это за время? Речь идет о времени, в течение которого в данном двигателе сгорает 1 кг топлива, создавая тягу в 1 кгс. Таким образом, удельный импульс является для ракетчиков мерой экономичности двигателя, характеристикой величины удельного расхода топлива. Чем больше удельный импульс, тем меньше будет израсходовано топлива на совершение данного полета.

Тяга двигателя представляет результирующую всех сил, действующих на двигатель, обусловленных внутрикамерными процессами в нем и давлением невозмущенной среды, следовательно,

Р = Рвн + Рнар,

где Рвн - равнодействующая внутренних сил давления продуктов сгорания на стенки камеры;

Рнар - равнодействующая наружных сил давления невозмущенной среды на стенки двигателя.

Уравнение тяги ракетного двигателя получаем в виде

где – давление в выходном сечении сопла;

– площадь поперечного сечения сопла.

Скорость истечения газа вычисляется по формуле:

, где

ωа — скорость газа на выходе из сопла, м/с,

Т—абсолютная температура газа на входе,

R— универсальная газовая постоянная , R=8.314Дж/(кмоль*К),

M—молярная масса газа, кг/кмоль,

k— показатель адиабаты,,

Cp—удельная теплоемкость при постоянном давлении, Дж/(кмоль*К),

Cv— удельная теплоемкость при постоянном объеме, Дж/(кмоль*К),

Pe— абсолютное давление газа на выходе из сопла, Па

P— абсолютное давление газа на входе в сопло, Па

Отметим, что тяга в пустоте равна Рвн– равнодействующей внутренних сил давления продуктов сгорания на стенки камеры.

Итак, ракетная техника ждет от химии топлив с помощью которых, прежде всего, может быть получена наибольшая скорость истечения, или наибольший удельный импульс, что равнозначно.[1, cтр.29]

2.1.1 Подготовка исходных данных

Для проведения термодинамического расчета по программе Астра-4 необходимо подготовить исходные данные:

-рассчитать эквивалентные формулы каждой компоненты, входящей в состав топливной смеси;

-подготовить данные об энтальпии образования исходных компонентов.

2.1.2 Расчет эквивалентной формулы

Методика расчета эквивалентной формулы заимствована из курсовой работы за третий курс.[2, стр.13-14]

Состав вещества в массовых долях отдельных элементов называется элементарным составом. Общая формула для массовой доли отдельного(k-го) элемента в веществе имеет вид:

здесь bk – массовая доля k-го элемента;

ak - число атомов данного элемента в молекуле рассматриваемого соединения;

Ak- атомная масса этого элемента;

Если ограничиться пока элементами H, C, N и О, то в общем случае химическая формула вещества имеет вид

CmHnOpNq.

Тогда элементарный состав будет

bc=; bh=; bo=; bn=.

Здесь µ=12m+n+16p+14q – молекулярная масса вещества;

bc, bh, bo, bn – доли углерода, водорода, кислорода и азота.

Для углерода и водорода приняты округленные значения атомных масс (µн=1, µс=12);

Если топливо или его компонент представляет собой комбинацию нескольких веществ, то массовая доля отдельного элемента найдется так:

bk=Σgibki

где bk – массовая доля k – го элемента в смеси,

gi - массовая доля отдельного (i–го) вещества в смеси,

bki – массовая доля k – го элемента в i- м веществе;

Если топливо состоит из окислителя и горючего и известно соотношение компонентов æ элементарный состав обоих компонентов, то массовая доля отдельного (k – го) элемента в топливе найдется так:

bk=( bkг+ ækok)/(1+ æ).

Когда компоненты представляют собой смеси индивидуальных веществ, то для некоторых расчетов удобно использовать условную химическую формулу данного компонента. Такую формулу можно построить разным способом. Например, удобно определять ее, исходя из числа атомов различных элементов, приходящихся на 100 массовых единиц рассматриваемого компонента. Тогда условная химическая формула будет иметь вид

CmHnOpNq…,

где m=100bc/12; n=100bH/1; p=100bo/16; q=100bN/14,

а bc, bH, bo, bN – массовые доли соответствующих элементов в данном компоненте. [3,стр.118-119].

Рассмотрим конкретный пример. Возьмем SnCl2.

М(SnCl2)=118.69+35.453*2=189.596г/моль

bsn=

bCl2=

Тогда условная химическая формула будет иметь вид:

Sn5.274Cl10.549.

Аналогично находим условные химические формулы для SiO2, сажи, Аl, связки МПВТ-ЛД-70. Данные приведены в таблице 3.

Таблица 3. Эквивалентные формулы компонентов

брутто формула	эквивалентная формула
SnCl2	Sn5.274 Cl10.549.
SiO2	Si16.643 O33.287
C(сажа)	C83.257
Al	Al37.037
МПВТ-ЛД-70	С24.353O29.031N14.078H45.434

2.1.3 Энергетические и теплофизические характеристики исходных компонентов

К теплофизическим характеристикам относятся удельная теплоемкость Сp, коэффициент теплопроводности λ, коэффициент температуропроводности α, плотность ρ, энтальпия образования ΔН˚, температура плавления и температура кипения. Эти величины характеризуют способность топлив воспринимать тепло при воздействии температуры и проводить (распространять) его по толщине топлива. Они используются при теоретических расчетах термических напряжений зарядов, скрепленных с камерой двигателя, скоростей горения топлив в двигателях. Данные приведены в таблице 4.

Таблица 4. Энергетические и теплофизические характеристики

компонент	М, кг/моль	Тпл,˚К	Ткип,˚К	ΔН˚,кДж/кг
сажа	12,01	3773	—	0
SiO2	60,08	1883	3223	-14973,71
SnCl2	189,6	520	943	-1745,82
Al	26,09	933,1	2773	0
МПВТ-ЛД-70	–	–	–	-1571,68