Фундаментальные основы методов исследования процесов горения



Скачать 59.97 Kb.
Дата11.09.2017
Размер59.97 Kb.

Фундаментальные основы методов исследования процесов горения

Процессы горения, встречающиеся в природе и в технике весьма многообразны. Принято делить их в соответствии с фазовым составом компонентов на группы; гомогенное горение (все участвующие в горении компоненты находятся в газовой фазе), гетерогенное горение (часть компонентов находится в твёрдой или жидкой фазе, другая часть в газообразной фазе), горение конденсированных систем (взрывчатые вещества, твёрдые ракетные топлива и др.) и горение СВС-систем.

Стремительное развитие технике в середине 20 века активизировало развитие науки о горении. Методы экспериментального исследования процессов горения создавались в неразрывной связи с развитием теории горения. На различных стадиях развития представлений о процессах горения соотношение между теорией и экспериментом менялось, однако всегда ощущался недостаток экспериментальных данных.

Общие методы исследования процессов горения

Создание и развитие методов диагностики процессов горения является одной из актуальных задач научных и прикладных исследований. Для каждого конкретного вида горения в соответствии с начальным фазовым составом компонентов диагностические методы развивались с целью решения определенных научных и практических задач использования процессов горения.

Наибольшее распространение в практике нашли оптические методы исследования, отвечающие необходимости изучения быстропротекающих процессов горения. К таковым следует отнести фотографические методы в разных вариантах(скоростная и сверхскоростная фотография), теневые, интерфереционные, спектральные методы, методы измерения температуры и ионизации в пламёнах (бесконтактные и контактные).

Горение газов

Обычно принято считать горением всякую быстро протекающую химическую реакцию, сопровождающуюся выделением тепла и излучения. Характерной чертой процесса горения является способность к пространственному распространению вследствие передачи тепла и диффузии активных продуктов (нормальное распространение пламени).

Установление связи скорости распространенияпламени со скоростью химической реакции и тепловыми свойствами смеси представляет основную задачу теории горения. Применяющиеся для измерения нормальной скорости распространения пламени методы можно классифицировать следующим образом: метод горелки, метод плоского пламени, метод мыльного пузыря, метод сосуда постоянного объёма, метод цилиндрической трубы. Существуют три способа наблюдения за пламенем: наблюдение за светящейся зоной пламени, использование теневого метода фиксации скачка плотности при точечном источнике света, использование шлирен-фотографии пламени.

Определение параметров пламени в турбулентном потоке

Процессы, протекающие в турбулентном пламени, весьма сложны. В настоящее время в статистической теории турбулентности разработаны методы расчёта течения для отдельных частных случаев и установлено качественное соответствие с экспериментальными наблюдениями. Экспериментальные исследования турбулентного горения проводятся в двух направлениях: исследование макро- и микроструктуры турбулентного факела с целью проверки той или иной модели горения и исследование суммарных характеристик, на пример, скорости и ширины зоны горения и влияние на эти характеристики различных факторов (параметров турбулентности, давления, температуры).

Экспериментальные методы измерения характеристик распространения пламени в турбулентном потоке делятся на три группы. Они основаны на измерении локальных характеристик потока с помощью малогабаритных зондов пульсации скорости, температуры, плотности и т. д. Основными методами в этой группе являются методы термоанемометрии, метод анемометра с тлеющим разрядом. Ко второй группе относятся методы, основанные на изучении диффузии в турбулентных потоках.

Измерение температуры пламени

К термохимическим характеристикам горючей смеси относятся ее теплотворная способность Q и теоретическая температура горения, т. е. температура, достижимая при полном сгорании без теплопотерь. При температурах горения выше 2000 К, когда становится существенной диссоциация продуктов горения, расчёт температуры горения производится по формулам статистической термодинамики методом последовательных приближений. Соответствующие константы берутся из анализа молекулярных спектров. Реальная температура всегда ниже теоретической. Она определяется количеством тепла, выделяемого при горении, составом и количеством продуктов горения и количеством тепла, отданного в окружающую среду.

Успешное измерение температуры пламени при горении определяется правильным выбором метода измерения. Задача выбора метода является достаточно сложной, т. к. приходится искать оптимальные решения – с учетом большого числа противоречивых факторов. Основными факторами, определяющими выбор метода измерения, являются область измерения температуры, динамика исследуемого процесса, чувствительность и точность измерения.

Методы измерения температуры пламён можно разделить на контактные и бесконтактные. Широко используется термоэлектрический метод - помещение термопары в исследуемую среду. Используемые оптические методы измерения температуры (яркостной, цветовой, метод обращения спектральных линий и др.) обладают высокой чувствительностью, широким диапазоном измерения температур.

Сочетание результатов полученных методами скоростной спектроскопии, с компьютерной обработкой данных о составе продуктов химических реакций, температуре толщине зон реакции и с измерением скорости распространения пламени позволит решать физико-химические задачи теории горения газов.

Горение жидкого и твёрдого топлива

В гетерогенном горении горючее вещество и вещество-окислитель находятся в разных агрегатных состояниях. В этом случае скоростб горения сильно зависит от размера поверхности, на которой происходит взаимодействие реагирующих веществ. Всё это вместе взятое приводит к тому, что теория гетерогенного горения в своей основе является теорией переноса вещества и тепла при наличии химического процесса, протекающего как на поверхности раздела фаз химически активных веществ, так и в их массе.

Твёрдое топливо в процессе горения и газификации проходит ряд стадий: прогрев вещества, подсушка, возгонка летучих и образование кокса, горение летучих и кокса, газификация кокса и пр. Для исследования механизма горения твёрдого топлива используются общие методы, описанные ранее.

Горение отдельных капель топлива является типичным диффузионным процессом. Следует отметить, что горение капельно-топливной смеси представляет собой процесс, в котором испарение капель и само их горение являются фазами, непосредственно следующими друг за другом. Экспериментальное изучение влияния физических и химических факторов на процесс горения распылённого топлива представляет большие трудности. Опубликованные результаты исследований стационарного процесса горения в камере не носят систематического характера и в них трудно проследить развитие какого-либо основного направления. Почти все исследования, относящиеся к этой проблеме, проводятся в условиях, где влияние ряда факторов исключено. В частности, исследования скоростей сгорания различных топлив и индивидуальных углеводородов проводятся с отдельными каплями. Используются обтекаемые потоком сферы, которые представляют собой либо капли, движущиеся с потоком, либо капли, подвешенные на нитях. Фотография горящей капли во времени даёт возможность установить влияние различных факторов на скорость сгорания.

Целесообразно сочетать экспериментальные данные по кинетике испарения капель (методы интерферометрии), температурах сгорания смеси (оптические методы) с влиянием этих факторов на скорость сгорания. Это позволит проследить за динамикой перехода гетерогенной системы в газообразное состояние.

Горение конденсированных систем

Твёрдое топливо (порох) можно подразделить на три категории: гомогенное, гетерогенное и молекулярное. Одним из основных направлений физического исследования конденсированных систем является изучение распределения температуры пламени, в установившемся режиме горения. Форма тампературного профиля по высоте факела пламени, на основании которого делаются выводы о механизме протекающих процессов, имеет при этом решающее значение. В настоящее время температурные распределения при горении конденсированных систем изучаются с помощью оптических методов и термопарных методик.

Исследование распределения температуры в конденсированной фазе и вблизи поверхности, в основном, производится с помощью термопар, тогда как температура факела пламени изучается с помощью оптических методов.

Горение пороха представляет собой последовательность физико-химических процессов, начинающихся в твёрдой фазе и завершающихся в газовой фазе на некотором расстоянии от поверхности заряда образованием равновесной смеси продуктов сгорания. Одной из важнейших характеристик процесса горения является температура поверхности горения твёрдого топлива. Величина её определяет скорость разложения конденсированной фазы, т. е., скорость горения.

Существуют многочисленные подходы к определению температуры поверхности конденсированных систем (контактные и бесконтактные).

Общие отличительные черты, присущие горению различных конденсированных систем, дают возможность предложить единую стратегию экспериментального исследования протекания многостадийного процесса горения и на основе полученных данных прогнозировать создание конденсированных систем с определённым энергетическими и внутрибаллистическими характеристиками.

Наиболее перспективными представляются следующие направления: исследования распределения температуры и тепловыделения в твердой фазе конденсированных систем, исследование процесса газификации твердой фазы (процесс диспергирования), исследование полного температурного распределения в твёрдой фазе и в факеле пламени, расчет теплового баланса по зонам горения.

Диагностика горения СВС-систем

Развитие методологии диагностики горения применительно к автоволновым процессам (СВС) сводится к изучению закономерности распространения фронта волны горения, структуры волны (зон), механизмов, протекающих процессов (химические реакции, физико-химические превращения, процессы переноса и т.д.).

Теория распространения волны горения и многочисленные экспериментальные исследования не могут описать закономерности и стадийность формирования конечного продукта СВС (фазового состава, строения, структуры). В связи с этим общая теория СВС строится на совместном рассмотрении механизма горения и процессов структурообразования. Поэтому методология диагностики горения СВС-систем неразрывно связана с материаловедческими исследованиями, направленными на изучение основных свойств конечных продуктов и выявления их зависимости от механизмов распространения волны горения.

Одной из основных задач оценки возможности протекания СВС-процесса является проведение термодинамического анализа, который позволяет определить адиабатическую температуру процесса и равновесное фазовое состояние продуктов.

Калориметрия является основным методом термохимии и теплофизики, с помощью которого измеряются тепловые эффекты процессов и изучаются термические свойства веществ. Измерение тепловых эффектов химических процессов выполняется с помощью калориметров, в которых проводят исследуемую реакцию. В частности, реакцию горения веществ в газообразных окислителях (кислород, фтор и др.) проводят в камере (пламенная калориметрия) или в бомбе (бомбовая калориметрия).

Основные физико-химические процессы СВС протекают во фронте и далее в протяжённой пространственной зоне, образующих, в целом, волну горения. Исследование тепловой структуры этой волны, измерение профилей температуры направлено на физико-химическую классификацию механизма распространения волны. Измерение температуры с помощью термопар основано на использовании законов термоэлектрических явлений.

При создании новых технологических процессов получения тугоплавких соединений методом СВС, возникает необходимость исследования высокотемпературной кинетики реагирования металла с газами. Обычно для этих целей применяются гравиметрические или волюмометрические методики.

Для исследования быстро протекающих высокотемпературных процессов разработаны новые методические подходы под общим названием – электротермографический метод. (ЭТМ) – основанные на программированном нагреве электрическим током металлических нитей в потоке газообразного окислителя.

К методам визуализации процессов горения относятся методы фотокинематографии (излучение объекта, поглощение), теневые методы (с различными визуализирующими диафрагмами), спекл-фотография и спекл-интерферометрия, интерферометрия, голография и др.

Визуализация (фотографирование) процесса горения и последующая обработка информации поставляет данные о стадийности и механизме распространения волны и её тепловой структуре. Применение киносъёмочных камер (скоростных, высокоскоростных), подбор спектральных, поляризационных фильтров, использование фоторегистраторов открывает широкие возможности дляпоследовательной регистрации отдельных кратковременных фрагментов событий, происходящих в волне распространения СВС-синтеза.

Исследование тепловой структуры волны распространения СВС-процессов с помощью микротермопар (верхний предел измерения 2500-2800 К) и оптико-спектральных методов (имеющих неограниченный верхний предел и ограниченный нижний 600 К) позволяет получить полный температурный профиль волны горения.

При исследовании механизма физико-химических превращений большое значение имеет выявление промежуточных продуктов и стадий в высокотемпературном фронте и в протяжённой зоне дореагирования. Одним из немногих подходов к решению этого вопроса стал метод рентгенофазного анализа.



Методы исследования структуры продукта СВС

Структурная макрокинетика изучает эволюцию среды в ходе химических превращений с учётом процессов тепло- и массообмена. Под структурой среды она понимает широкий круг характеристик, включающих макроструктуру (распределение состава, макроскопические дефекты), микроструктуру (взаимное расположение фаз, зернистость среды, локализация примесей, пористость), кристаллическую структуру (сингония и параметры кристаллической решётки, её дефектность, упорядочение с образованием сверхструктур, количество и распределение дислокаций).

Структурные характеристики продуктов СВС синтеза определяются различными методами: металлография, локальный химический анализ, рентгенография, электронная микроскопия, нейтронография. и др.

Применение комбинированных способов к изучению структурных превращений в процессе синтеза основано на быстрой остановке процесса, позволяющей “закалить” промежуточное состояние вещества в волне с последующим проведением послойного анализа известными материаловедческими методами. Незаменимую информацию о микроструктуре и о локальном составе фаз в СВС-продуктах даёт применение методов электрозондового микроанализа (ЭРМА) и растровой электронной микроскопии.



В заключение необходимо отметить, что рассмотренные в работе методологии диагностики горения СВС-систем указывают на необходимость совместного рассмотрения результатов по механизму распространения волны горения и данных по структурообразованию конечного продукта, которые позволят создать научные основы СВС-процессов и разработать совокупность обоснованных приёмов для получения новых неорганических материалов.

Поготовлено В.М. Мальцевым







Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©zodorov.ru 2017
обратиться к администрации

    Главная страница