Встановлено механізм горіння двокомпонентних сумішей з порошків магнію, алюмінію та оксидів металів, згідно з яким процес перетворення вихідної суміші у продуктах згоряння є стаціонарним, одновимірним і протікає у трьох зонах: прогрітий шар у конденсованій фазі суміші; реакційна зона конденсованої фази суміші; зона полум’я (зона тепловиділення газової фази). Розроблено модель горіння сумішей, яка враховує кінетичні характеристики термічного розкладання окиснювача та високотемпературного окиснення, займання та горіння частинок металу у продуктах розкладання, що дає змогу більш точно (відносну похибку знижено до 7… 9 % замість 10…15 % у наявних моделей) визначати критичні діапазони зміни швидкості горіння сумішей в умовах зовнішніх термічних дій, перевищення яких призводить до прискорення процесу горіння сумішей та пожежовибухонебезпечного руйнування піротехнічних виробів. Метою роботи є встановлення механізму горіння двокомпонентних ущільнених сумішей з порошків магнію та алюмінію з оксидами металів та розробка моделі їх горіння для визначення критичних діапазонів зміни швидкості горіння сумішей з врахуванням впливу зовнішніх термічних дій. Проведений аналіз експериментальних відомостей про фізико-хімічні процеси, що протікають у різних зонах горіння розглядуваних сумішей дозволяє встановити механізм їх горіння згідно якому про¬цес перетворення вихідної суміші в продукти згоряння в першому наближенні є стаціонарним, одновимірним і протікає в наступних трьох найхарактерніших зонах. Зона I – прогрітий шар в конденсованій фазі суміші, де можна знехтувати хімічними перетвореннями. Зона II – реакційна зона конденсованої фази суміші, в якій тверда суміш перетворюється в газ, що містить окремі частинки металу. В межах цієї зони відбувається розкладання окиснювача і енергійне окиснення частинок ме¬талевого пального. Спалахування частинок металу відбувається на поверхні горіння. Більша частина частинок металу, що спалахнули, в результаті їх агломерації затримується на поверхні горіння аж до їх повного згоряння. Тепло від частинок металу, що згоряють, передається у глибину конденсованої фази. Зона III – зона тепловиділення газової фази. В цій зоні дисперговані частинки металевого пального згоряють в дифузійному режимі в потоці продуктів розкладання окиснювача. Тепло, що виділяється, шляхом теплопровідності і радіації передається у конденсовану фазу. Розроблено модель горіння ущільнених двокомпонентних сумішей з порошків магнію, алюмінію та оксидів металів, яка на відміну від існуючих моделей піротехнічних нітратно-металевих сумішей, враховує кінетичні характеристики термічного розкладання окиснювача та високотемпературного окиснення, займання та горіння частинок металу у продуктах розкладання, що дозволяє більш точно (відносну похибку знижено до 7…9 % замість 10…15 % у існуючих моделей) розраховувати залежності швидкості горіння сумішей від підвищених температур нагріву та зовнішніх тисків для різних значень технологічних параметрів (співвідношення компонентів, дисперсності металевого пального, природи металу та окиснювача та ін.) та визначати її критичні діапазони зміни у цих умовах, перевищення яких призводить до прискорення процесу горіння сумішей та пожежовибухонебезпечного руйнування виробів. Ключові слова: пожежна безпека, піротехнічні суміші, термічні дії, процеси горіння, моделі горіння металізованих конденсованих систем.
Вивчено вплив різних чинників (теплообмін із зовнішнім середовищем, що залежить від діаметра зразка суміші та матеріалу оболонки, яка ізолює його, вологість окиснювача, склад та вологість середовища) на швидкість і стабільність процесу горіння ущільнених сумішей з порошків кисневмісних окиснювачів (NaNO3, Ba(NO3)2, Sr(NO3)2, ВаО2, MnO2) та металевих пальних (Mg, Al, ПАМ) для різних значень технологічних параметрів (співвідношення й дисперсності компонентів, коефіцієнта ущільнення, вологості окиснювача, діаметра зразка та матеріалу оболонки) і зовнішніх умов (складу та вологості середовища, зовнішнього тиску). Встановлено діапазони зміни параметрів, що характеризують зазначені чинники, в межах яких спостерігається зменшення швидкості горіння сумішей більш, ніж у 2…3 рази, стабілізація процесу горіння та підвищення його стійкості до зовнішніх впливів. Капсуляція частинок порошку окиснювача (наприклад алюмінієм) приводить до зменшення швидкості горіння суміші та підвищення стійкості процесу її горіння до зовнішніх термічних впливів, що пояснюється суттєвим зменшенням вологості окиснювача. Процеси горіння сумішей у повітрі, азоті або аргоні значно різняться, що пояснюється різними кінетичними характеристиками процесів термічного розкладання окиснювачів, окиснення та займання частинок металевих пальних у цих середовищах.
Встановлено широкий клас органічних речовин, введення яких у вигляді невеликих добавок (до 10 %) у склад піротехнічних сумішей на основі порошків металевих пальних та окиснювачів приводить до зменшення швидкості та підвищення стійкості процесу їх горіння до зовнішніх впливів (підвищені температури нагріву, зовнішні тиски) для різних діапазонів зміни технологічних параметрів сумішей (співвідношення та дисперсності компонентів, коефіцієнта ущільнення). Зі зменшенням коефіцієнта надлишку окиснювача у суміші залежність швидкості горіння від величини добавки підсилюється, незалежно від її дисперсності. Добавки стеарину та тіоколу у суміші Al + NaNO3 та Zr + NaNO3, навпаки, призводять до збільшення швидкості горіння цих сумішей, що обумовлено підвищенням реакційної здатності Al та Zr у присутності газоподібних продуктів розкладання стеарину та тіоколу при підвищених температурах нагріву, які сприяють різкому зниженню температури займання частинок металевих пальних та призводять до зниження стійкості процесу розвитку горіння сумішей, особливо в умовах підвищених зовнішніх тисків (збільшення показника в законі горіння зі зростанням величини добавки).
Практичне значення мають методики попередження вимушених передчасних пожежоне-безпечних руйнувань виробів у випадку впливу зовнішніх термічних дій, які повинні базуватися на науково-обґрунтованих методах визначення критичних значень параметрів термічних впливів на вироби і технологічних параметрів зарядів сумішей, перевищення яких призводить до передчасних пожежонебезпечних руйнувань виробів. На базі отриманих експериментальних даних, ма-тематичних, експериментально-статистичних моделей, спеціалізованого програмного забезпечення у вигляді чотирьох стандартних пакетів прикладних програм розроблено науково-обґрунтовану методику визначення критичних діапазонів зміни параметрів зовнішніх термодій та керованих технологічних параметрів зарядів сумішей, перевищення яких призводить до пожежовибухонебезпечних руйнувань піротехнічних виробів. Практичне застосування розробленої методики для виробів на основі досліджуваних сумішей у вигляді засобів контролю і технологічних рекомендацій дозволяє знизити вірогідність їх руйнування в умовах експлуатації у 2…3 рази.
Представлено результати термодинамічних розрахунків залежностей температури та складу продуктів згоряння піротехнічних сумішей з порошків магнію та нітрату калію від коефіцієнта надлишку окиснювача α = 0,1…3,0, величини органічної добавки e = 5…20 % і зовнішнього тиску Р = 105…3*107 Па, що визначають вибухонебезпечні режими їх згоряння. Дослідження проводилися за допомогою методів термодинамічного аналізу процесів горіння сумішей з урахуванням фазової нерівноважності їх продуктів згоряння. За даними термодинамічного розрахунку температура продуктів згоряння істотно залежить від коефіцієнта надлишку окиснювача в суміші та тиску і має максимум. З даних термодинамічних розрахунків температури продуктів згоряння сумішей магній + нітрат калію + парафін, стеарин, нафталін, антрацен випливає, що введення добавок розглядуваних органічних речовин у суміш магнію з нітратом натрію не призводить до істотної зміни загального характеру залежності температури продуктів згоряння від коефіцієнта надлишку окиснювача і тиску для подвійної суміші.
scite is a Brooklyn-based organization that helps researchers better discover and understand research articles through Smart Citations–citations that display the context of the citation and describe whether the article provides supporting or contrasting evidence. scite is used by students and researchers from around the world and is funded in part by the National Science Foundation and the National Institute on Drug Abuse of the National Institutes of Health.
hi@scite.ai
10624 S. Eastern Ave., Ste. A-614
Henderson, NV 89052, USA
Copyright © 2024 scite LLC. All rights reserved.
Made with 💙 for researchers
Part of the Research Solutions Family.