Способ зажигания твердого химически активного топлива в жидкой среде

Изобретение относится к средствам механизации при проведении подводно-технических, аварийно-спасательных и судоподъемных работ с использованием топливного газогенератора. Способ зажигания твердого химически активного топлива (ТХАТ) в жидкой среде включает использование нагревательного элемента в виде трубки накаливания, выполненной путем плотной намотки проволоки, имеющей высокое омическое сопротивление. Трубку устанавливают в канал, выполненный в блоке топлива. Канал выполняют вертикальным с открытым нижним концом, трубку накаливания плотно устанавливают у верхнего конца канала, расположенного в массе топлива, а токоведущий проводник, закрепленный на верхнем торце трубки накаливания, выводят по внутренней полости трубки накаливания наружу. Длину канала $$L_K$$ выполняют при соблюдении условия $$L_K=3\Delta$$ , где $$\Delta$$ - длина трубки накаливания, а диаметр канала $$d_K$$ выполняют при соблюдении условия $$4d_{пр}<d_K<12d_{пр}$$ , где $$d_{пр}$$ - диаметр проволоки. Техническим результатом является повышение надежности зажигания ТХАТ в жидкой среде и снижение энергетических затрат за счет эффективного использования кризисных режимов кипения жидкости. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к средствам механизации при проведении подводно-технических, аварийно-спасательных и судоподъемных работ с использованием топливных газогенераторов.

Известен способ зажигания бескорпусного твердого топливного газогенератора в жидкой среде. В способе блок твердого химически активного топлива поджигается электрическим нагревателем, а именно, спиралью накаливания, выполненной из материала с высоким омическим сопротивлением. Ее плотно устанавливают в технологическое углубление, предусмотренное в блоке твердого топлива. Затем углубление с расположенной в нем спиралью герметизируют (Прострелочные и взрывные работы в скважинах: Учебник для техникумов /Н. Г. Григорян и др. - 2-е изд. перераб. - М.: Недра, 1980. С. 136-137).

Недостаток способа заключается в отсутствии свободного объема в зоне спирали накаливания, поскольку при зажигании твердого топлива образующиеся продукты горения создают высокое давление, и если механические характеристики топлива недостаточны, то блок твердого топлива разрушается и дальнейший процесс горения прекращается. С другой стороны, за счет высокого давления может разрушиться герметизирующий состав, и спираль накаливания под действием этого давления выбросится в окружающую среду. Резкий сброс давления в свою очередь приведет к разрушению реакционного слоя твердого топлива, срыву пламени, что также приводит к прекращению горения. Подобный эффект резкого сброса давления используется в ракетной технике, когда возникает необходимость быстрого прекращения горения топлива в ракетном двигателе.

Известен способ подрыва заряда взрывчатого вещества (ВВ) при выполнении подводно-технических работ для разрушения камней и скального грунта, например, при снятии судов с мели (Дунаевский Я.И. Снятие судов с мели /2-е изд. перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1984 г. - С. 80-81). Для этого в заряде ВВ сверлят отверстие, в него устанавливают электродетонатор, затем засыпают песком и сверху заливают мастикой.

Недостаток способа заключается в сложной многозвенной системе герметизации. Кроме того, мастика заливки может иметь трещины, через которые окружающая вода может проникнуть к электродетонатору и вызвать отказ в работе, то есть подрыва заряда ВВ. Под действием гидростатического давления окружающей среды мастика может сжиматься и выдавливаться, что ускоряет попадание воды в отверстие, где установлен электродетонатор. Соответственно будет отказ в инициировании ВВ.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ зажигания блока твердого химически активного топлива газогенератора в жидкой среде, когда зажигание осуществляют с помощью спирали накаливания, выполненной из материала с высоким омическим напряжением (Патент №2537644 (RU), МПК F23Q7/02. Способ зажигания твердого химически активного топлива в жидкой среде). Способ выбран за прототип.

В способе-прототипе нагревательный элемент выполняют в виде полой трубки накаливания путем плотной намотки проволоки, имеющей высокое омическое сопротивление. В свою очередь в блоке твердого топлива, в его диаметральной плоскости, выполняют негерметичный открытый с двух сторон горизонтальный канал диаметром, соответствующим внешнему диаметру трубки накаливания, которую плотно устанавливают в этом канале. Зажигание топлива основано на создании кризисных условий кипения жидкости [4], заполняющей канал и полость трубки накаливания при подаче на трубку накаливания электрического импульса от источника тока (Закон Джоуля-Ленца).

Недостаток прототипа заключается в энергоемкости способа, поскольку для формирования кризисных условий кипения жидкости необходима мощность, развиваемая на трубке накаливания порядка 120÷180 Вт, что не всегда возможно при использовании источников тока на автономных устройствах.

Кроме того, способ зажигания твердого химически активного топлива, находящегося в жидкой среде, зависит от его расположения в окружающей среде. Так при отклонении негерметичного канала от горизонтальной плоскости относительно вектора силы тяжести вероятность зажигания блока ТХАТ снижается. При достижении угла наклона $${\phi }_{крит}$$ зажигание блока ТХАТ не представляется возможным, поскольку образующиеся при кипении паровые пузырьки под действием силы Архимеда начнут подниматься от трубки накаливания вверх по каналу к его верхнему концу и истекать в окружающую среду, а через другую открытую сторону канала в него и в зону трубки накаливания будут поступать новые порции жидкости. При этом будет идти процесс кипения жидкости без формирования критических условий кипения, соответственно трубка накаливания не будет блокироваться, зажигание стенок канала блока ТХАТ не произойдет.

Задачей изобретения является повышение надежности зажигания ТХАТ в жидкой среде при одновременном снижении энергетических затрат за счет использования кризисных режимов кипения жидкости.

Поставленная задача решается тем, что в способе зажигания ТХАТ в жидкой среде, включающем использование нагревательного элемента в виде трубки накаливания, выполненной путем плотной намотки проволоки с высоким омическим сопротивлением, которую устанавливают в канал, выполненный в блоке твердого химически активного топлива, в отличие от прототипа канал выполняют вертикальным с открытым нижним концом, трубку накаливания плотно устанавливают у верхнего конца канала, расположенного в массе топлива, а токоведущий проводник, закрепленный на верхнем торце трубки накаливания, выводят по внутренней полости трубки накаливания наружу.

В частных случаях длину канала $$L_K$$ выполняют при соблюдении условия $$L_K=3\Delta$$ , где $$\Delta$$ - длина трубки накаливания, а диаметр канала $$d_K$$ выполняют при соблюдении условия $$4d_{пр}<d_K<12d_{пр}$$ , где $$d_{пр}$$ - диаметр проволоки.

Сущность способа поясняется фиг.1-6.

На фиг. 1 показано исходное состояние (а) системы до подачи на трубку накаливания электрического импульса; промежуточная стадия (б), когда идет формирование паровой полости; стадия (в) блокирования трубки накаливания паровой полостью, обеспечивающей создание кризисных условий кипения жидкости. Обозначения: 1 - трубка накаливания (спираль плотной намотки); 2 - блок ТХАТ; 3 - вертикально ориентированный негерметичный канал; 4 - токопроводящие провода; 5 - жидкая среда; 6 - паровая полость.

На фиг. 2 представлена схема экспериментальной установки и фрагменты формирования и развития парового объема при нагревании трубки накаливания электрическим током (б). Цифрами обозначены: 7 - ванночка с жидкостью; 8 - термопара; 9 - державка со стрелкой; 10 - автоматизированная система сбора регистрации результатов; 11 - модель, выполненная из оргстекла; 12 - угломер; 13 - стадия зарождения активных паровых центров; 14 - формирование паровой полости; 15 - стадия заполнения канала паром; 16 - освобождение канала и блокирование трубки накаливания от жидкости.

На фиг. 3 приведена зависимость времени зажигания $$t_{з}$$ ТХАТ от мощности W, развиваемой на трубке накаливания (диаметр проволоки $$d_{пр}=\mathrm{0,5}\cdot {10}^{-3}$$ м).

На фиг. 4 приведена зависимость температуры T при нагреве стенок канала от затрачиваемой энергии А. Кривая 1 характеризует изменение температуры для вертикального канала с заглушенным концом, кривая 2 характерна для негерметичного канала (прототип).

На фиг. 5 приведена зависимость времени зажигания $$t_{з}$$ от мощности W, развиваемой на трубке накаливания при разной высоте $$h$$ ее размещения от открытого конца канала.

На фиг. 6 приведена зависимость времени зажигания $$t_{з}$$ от угла наклона $$\phi$$ . Кривая 1 иллюстрирует зависимость времени зажигания $$t_{з}$$ для способа по изобретению. Кривая 2 приведена для сравнения времени зажигания $$t_{з}$$ по способу-прототипу.

Снижение энергетических затрат в предлагаемом техническом решении основано на создании дополнительного парового объема у заглушенного конца канала за счет поступления образующихся паровых пузырьков в центрах парообразования на поверхности трубки накаливания, когда на нее подают электрический ток [4]. Под действием силы Архимеда они всплывают вверх по каналу и накапливаются у заглушенного конца канала, образуя паровую полость еще до формирования пузырькового режима кипения. Образующиеся при пузырьковом кипении (первый кризисный режим) [4] паровые включения увеличивают паровой объем, оттесняют жидкость от трубки накаливания, что способствует быстрому переходу от пузырькового режима кипения жидкости ко второму кризисному режиму кипения (пленочному). При пленочном режиме кипения коэффициент теплоотдачи резко падает, а температура трубки и, соответственно, плотно примыкающих к ней стенок канала возрастает до температуры зажигания ТХАТ. Зажигание будет наиболее стабильным и устойчивым при выполнении условия: $$L_k=3\Delta$$ , где $$L_k$$ - длина канала; $$\Delta$$ - длина трубки накаливания.

При $$L_k<3\Delta$$ идет интенсивный теплообмен между трубкой накаливания и окружающей блок ТХАТ жидкой средой. При этом тепло теряется, и развиваемой на трубке накаливания мощности может оказаться недостаточно для формирования кризисных режимов кипения, а увеличение потребляемой мощности связано с ростом энергозатрат. Кроме того, при увеличении потребляемой мощности возрастает вероятность перегорания трубки накаливания, соответственно, следует аварийный отказ зажигания ТХАТ.

При $$L_k>3\Delta$$ вытесняемая паровым объемом жидкость может находиться в канале в то время, когда топливо уже зажглось и горит. В этом случае образующиеся высокотемпературные продукты горения ТХАТ начинают интенсивно заполнять канал, а поскольку скорость их образования будет превышать скорость перемещения жидкости в канале, в газовой полости возрастает давление. За счет роста давления возможен «снарядный» выброс жидкости, что приведет к резкому сбросу давления в канале, при этом окружающая блок ТХАТ жидкость под воздействием гидростатического давления практически сразу же заполнит канал, и процесс горения прекратится.

Зажигание ТХАТ зависит и от диаметра канала $$d_k$$ , выбираемого по соотношению: $$4d_{пр}<d_k<12d_{пр}$$ , где $$d_{пр}$$ - диаметр проволоки с высоким омическим сопротивлением, из которой выполняется трубка накаливания.

При $$d_k<4d_{пр}$$ изготовление трубки накаливания путем плотной намотки проволоки затруднено, поскольку начинают проявляться упругие свойства ее материала. Кроме того, монтаж токоведущего проводника к верхнему торцу трубки по ее внутренней полости также затруднен, поскольку диаметр внутреннего канала будет слишком мал.

При $$d_k>12d_{пр}$$ внутренний объем канала в трубке накаливания заполнится большей массой жидкости. Создание кризисных режимов кипения в этом случае связано с необходимостью изменения мощности трубки накаливания, причем в сторону увеличения, что, в свою очередь, приводит к увеличению затрат электроэнергии, расходуемой на формирование кризисных режимов кипения жидкости. Причем не исключается вероятность разрушения трубки накаливания при протекании по ней большого тока.

Выполнение канала с одним заглушенным концом позволяет снизить влияние ориентации на процесс зажигания стенок канала при отклонении блока ТХАТ от вертикального положения относительно вектора силы тяжести на угол $$\phi$$ , значение которого меняется в диапазоне $$0\le \phi \le {90}^{0}C$$ . При $$\phi =0$$ канал ориентирован вертикально по вектору силы тяжести открытым концом вниз. Зажигание ТХАТ устойчиво. При $$\varphi ={90}^{0}C$$ канал и соответственно трубка накаливания занимают горизонтальное положение, перпендикулярное вектору силы тяжести, и паровые массы под действием силы Архимеда начинают частично истекать в окружающую жидкую среду. Вероятность зажигания стенок канала при таком положении канала снижается. Увеличение мощности, развиваемой на трубке накаливания, способно обеспечить зажигание даже при $$\phi \ge {90}^0$$ , но это связано с ростом энергетических затрат, вероятность разрушения материала трубки накаливания возрастает. Надежность и эффективность зажигания снижается.

Осуществление способа поясняется примером.

Из проволоки, имеющей высокое омическое сопротивление, плотно, виток к витку, навивается спираль в виде трубки накаливания 1 (см. фиг.1). Затем в нижней части образца ТХАТ 2 выполняется параллельно вектору силы тяжести канал 3, один конец которого открыт, а другой заканчивается в массе образца. Диаметр канала 3 равен внешнему диаметру трубки накаливания 1. Затем трубка накаливания 1 с токоведущими проводами 4 плотно устанавливается в канале 3 непосредственно у конца канала, находящегося в массе образца 2, один из проводов выводится наружу по полости трубки накаливания.

Собранную подобным образом систему зажигания погружают в жидкость 5, которая заполняет канал 3 и полость трубки 1 (фиг. 1, а). На трубку накаливания 1 подается электросигнал от источника тока (не показан). Высокоомная проволока разогревается (Закон Джоуля-Ленца), за счет этого в трубке накаливания, на ее внутренней поверхности, образуются активные паровые центры в виде пузырьков. Под действием силы Архимеда они, отрываясь от поверхности трубки, сосредотачиваются у верхнего конца 3 и формируют паровую полость (фиг. 1, б). При пузырьковом кипении паровые включения увеличиваются и интенсивно начинают поступать в уже подготовленную паровую полость, освобождая трубку накаливания. За счет этого происходит быстрая смена пузырькового режима кипения на пленочный (фиг. 1, в). Соответственно коэффициент теплоотдачи резко падает, температура трубки накаливания и температура контактирующей с ней поверхности стенок канала возрастает. При достижении температуры зажигания ТХАТ воспламеняется.

Испытания способа по предлагаемому техническому решению проводились на лабораторной установке, представленной на фиг. 2. Модели канала выполнялись из оргстекла (фиг. 2б, фрагменты I - V) с оптически прозрачными стенками, и ТХАТ. В ванночку 7, имеющую оптически прозрачные стенки, на державке 9 помещалась модель канала 3. Нагрев стенок канала фиксировался хромель-алюмелевой термопарой 8 (диаметр спая 200 мкм), внедренной в стенку канала 3. Сигнал с термопары подавался на автоматизированную систему сбора и регистрации результатов 10. На трубку накаливания 1 по токоведущим проводам подавался электросигнал от источника ВСА-5К (на схеме не показан). Для визуального наблюдения за развитием процесса в прозрачные боковые стенки ванночки 7 монтировались оптические линзы (на чертеже не показаны). Трубка накаливания 1 выполнялась из нихромовой проволоки диаметром $$\mathrm{0,5}\cdot {10}^{-3}$$ м длиной 0,15 м. Мощность, развиваемая на трубке накаливания 1, варьировалась в пределах $$4-180$$ Вт. Качественная картина развития процесса зажигания получена на модели цилиндрического канала, выполненного из оргстекла и имеющего один заглушенный конец. Длина канала 3, приведенного на фиг. 2, равнялась $$L_{К}=5\cdot {10}^{-2}$$ м, диаметр канала $$d_{К}=\mathrm{1,2}\cdot {10}^{-2}$$ м. Стенки канала полировались. Результаты приведены на фиг. 2б. Фрагмент I соответствует начальному положению. Канал заполнен жидкостью (водой), электросигнал на трубку накаливания 1 не подан ( $$t=0$$ c). Через $$t=\mathrm{0,6}$$ с от момента подачи электросигнала (фрагмент II) образуются активные центры парообразования, которые под действием силы Архимеда начинают сосредотачиваться у заглушенного конца канала. В этот момент уже начинает формироваться паровая полость. Через $$t=\mathrm{1,3}$$ с (фрагмент III), когда формируется пузырьковое кипение [4] идет интенсивное поступление паровых включений к уже созданной паровой полости. Трубка накаливания практически полностью блокирована от жидкости (фрагмент IV). Создается пленочный режим кипения ( $$t=\mathrm{4,0}$$ с). На фрагменте V видно, что через $$t=\mathrm{7,8}$$ с канал полностью освобождается от жидкости. При этом наблюдается свечение трубки накаливания и разрушение стенок канала.

Для проверки предложенного способа использовались образцы ТХАТ, известных в ракетной технике [5]. Использовались цилиндрические образцы ТХАТ, имеющие следующие размеры: высота $$5\cdot {10}^{-2}$$ м, диаметр $$1\cdot {10}^{-2}$$ . В образцах выполнялись каналы $$L_K=\mathrm{4,5}\cdot {10}^{-2}$$ м, при диаметре $$d_K=4\cdot {10}^{-3}$$ м.

Фиг. 3 иллюстрирует зависимость времени зажигания $$t_{з}$$ образца ТХАТ от мощности W, развиваемой на трубке накаливания. Видно, что с увеличением W время зажигания $$t_{з}$$ снижается. Следует отметить, что для зажигания образца ТХАТ достаточно W=6 Вт. Это выгодно отличает систему зажигания предлагаемого технического решения от прототипа [3]. Изменение температуры T стенок канала в зависимости от затраченной энергии А приведено на фиг. 4. Следует отметить, что на зажигание стенок канала с одним заглушенным концом (кривая 1) требуется меньше энергозатрат по сравнению с негерметичной системой зажигания (кривая 2). Видно, что на нагрев жидкости до кипения в канале при прочих равных условиях опыта расходуется одинаковое количество энергии (область 1). Но за счет того, что по изобретению активные центры парообразования еще до формирования пузырькового режима кипения уже частично заполняют канал, пар начинает блокировать верх трубки накаливания, время формирования режимов кипения сокращается, и зажигание стенок канала происходит при $$А=80÷120$$ Дж, в то время как при негерметичной системе зажигания затраты энергии на зажигание стенок канала значительно больше (области II по изобретению, III по прототипу).

Зависимость времени зажигания $$t_{з}$$ от расположения трубки накаливания в канале по высоте h от открытого торца приведена на фиг. 5. Видно, что при $$h=5\cdot {10}^{-3}$$ м на процесс зажигания оказывает влияние окружающая среда (кривая $$•$$ ). С увеличением h время зажигания $$t_{з}$$ снижается (кривые $$+,\Delta$$ ).

Поскольку в предлагаемом техническом решении канал с одной стороны негерметичен, то его функционирование будет зависеть от ориентации канала относительно вектора силы тяжести. Известно [6], что ориентация поверхности нагрева в гравитационном поле влияет на критический тепловой поток при кипении жидкости. Фиг. 6 иллюстрирует зависимость $$t_{з}$$ от угла наклона $$\phi$$ . Кривая 1 относится к предлагаемому техническому решению, кривая 2 к прототипу. Следует отметить, что при большом угле наклона негерметичная система зажигания прототипа функционировать не будет, в то время как система зажигания с одним заглушенным торцом может функционировать даже при $$\phi ={90}^0$$ . Однако в этом случае требуется повышение мощности на трубке накаливания до 100 Вт и выше.

Из примера видно, что предлагаемый способ зажигания ТХАТ в жидкой среде промышленно применим на практике. Способ обеспечивает надежное зажигание при экономных затратах энергии и может быть использован при проведении аварийно-спасательных, судоподъемных и гидротехнических работ.

Источники информации

1. Прострелочные и взрывные работы в скважинах: Учебник для техникумов /Н. Г. Григорян и др. - 2-е изд. перераб. - М.: Недра, 1980. С. 136-137.

2. Дунаевский Я.И. Снятие судов с мели /2-е изд. перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1984 г. - С. 80-81.

3. Патент №2537644 (RU), МПК F23Q 7/02. Способ зажигания твердого химически активного топлива в жидкой среде.

4. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. - М.: Энергия, 1973 г. - С. 102-128.

5. Орлов Б.В., Мазинг Г.Ю. Термодинамические и баллистические основы проектирования ракетных двигателей на твердом топливе: Учебное пособие для вузов. - М.: Машиностроение, 1979 г.

6. Вешнев И.П. Влияние ориентации поверхности нагрева в гравитационном поле на кризис пузырькового кипения жидкости //Инженерно-физический журнал, 1973. Т. 24(1). С. 59-66.

1. Способ зажигания твердого химически активного топлива в жидкой среде, включающий использование нагревательного элемента в виде трубки накаливания, выполненной путем плотной намотки проволоки, имеющей высокое омическое сопротивление, которую устанавливают в канал, выполненный в блоке твердого химически активного топлива, отличающийся тем, что канал выполняют вертикальным с открытым нижним концом, трубку накаливания плотно устанавливают у верхнего конца канала, расположенного в массе топлива, а токоведущий проводник, закрепленный на верхнем торце трубки накаливания, выводят по внутренней полости трубки накаливания наружу.

2. Способ зажигания по п. 1, отличающийся тем, что длину канала $$L_K$$ выполняют при соблюдении условия $$L_K=3\Delta$$ , где $$\Delta$$ - длина трубки накаливания.

3. Способ зажигания по п. 1, отличающийся тем, что диаметр канала $$d_K$$ выполняют при соблюдении условия $$4d_{пр}<d_K<12d_{пр}$$ , где $$d_{пр}$$ - диаметр проволоки.